压电尺蠖式微驱动器的设计、控制与实验

发布时间：2020-11-19 05:03

　　 随着精密加工与测量、光学工程、生物工程、现代医学、航空航天等高尖端领域的迅速发展,传统的微位移驱动器受工作原理和机械结构的限制,造成其传动效率低、输出位移有限,精度不高、结构复杂且不易控制,无法满足精密定位与驱动的要求。压电尺蠖微驱动器是基于尺蠖运动原理实现双向、大行程、高精度运动的精密微驱动器,广泛应用于上述领域。针对压电尺蠖微驱动器存在的主要问题,本文基于柔顺机构设计了两种微驱动器,并对其进行了性能优化及相关性能测试实验,主要内容如下:针对尺蠖式直线微驱动器运动速度低和输出力小等问题,基于柔顺机构设计了一种新型尺蠖式直线微驱动器。微驱动器由2个箝位机构、驱动机构、输出轴组成,其运动特点是驱动机构驱动箝位机构进行往复直线运动,箝位机构带动输出轴作直线运动。绘制了微驱动器的工作原理图,并阐述了其运动原理。箝位机构和驱动机构均采用柔性杠杆结构,保证了微驱动器所需的箝位力与驱动力,并提高了其运动速度。对微驱动器进行了详细的理论推导,采用伪刚体方法建立了驱动电压与箝位力、驱动机构输入位移与输出位移之间的关系,根据功能原理建立了输入力与驱动力之间的关系。根据所设计的微驱动器制作了样机,搭建了实验测试系统进行性能测试,测试结果表明,微驱动器最大箝位力为216.43 N,最大驱动力为13.5 N,在驱动电压120 V,驱动频率95 Hz时,达到最大速度为48.91 mm/s。为了建立微驱动器的步距预测模型,实现微驱动器的精确控制,需要定量分析微驱动器的步距、驱动电压、驱动频率之间的关系。定量分析尺蠖式驱动器步距、驱动电压、驱动频率之间的关系就是确定三者之间的非线性映射关系,建立预测模型。采用非线性支持向量机回归理论建立了微驱动器步距、驱动频率、驱动电压之间的关系模型。首先,采用实验分析和理论推导对微驱动器的驱动信号的关键参数进行了优化,并对矩形波驱动信号的波形进行了修正;其次,采用非线性支持向量机回归理论,选择高斯径向基核函数建立了微驱动器步距预测理论模型;最后,搭建实验测试系统,对微驱动器步距回归模型进行验证。实验结果表明,所建立的微驱动器步距回归预测模型能精确的预测步距,实验值与预测值之间的相对误差范围为0.275%-3.929%,误差较小。尺蠖式微驱动器虽然可以实现大行程与高精度兼具的运动,但在实际使用中会出现以最小步距为尺度的波动问题影响其运动精度。为了进一步提高微驱动器的运动精度,在PID控制的基础上,提出一种分段控制系统。所提出的分段控制系统由宏运动环节与微运动环节组成。在宏运动环节中,微驱动器按照尺蠖爬行的工作方式运动;在微运动环节中,微驱动器采用PID闭环控制逐渐接近目标位置。建立了微驱动器的输出模型,采用实验方法对控制系统的参数进行辨识。利用宏微分段控制系统对尺蠖式微驱动器进行大行程、高精度的定位实验,实验结果表明,在驱动电压40 V,频率1 Hz下,微驱动器的定位误差在0.53-0.67μm之间,说明所提出的分段控制方法能有效的提高尺蠖式微驱动器的运动精度。尺蠖式直线微驱动器只能实现连续的直线运动,但在工业中经常需要大行程的旋转运动,因此基于柔顺机构设计了一种新型尺蠖式旋转微驱动器。微驱动器由2个箝位机构、2个驱动机构、输出轴及支架组成,箝位机构和驱动机构均采用柔性杠杆结构,具有无摩擦,免润滑的优点,且保证了微驱动器所需的箝位力与驱动力矩,并提高了其运动速度。采用虚功原理推导了箝位机构放大倍数、静刚度的计算公式,建立驱动机构的伪刚体模型,并根据力矩平衡建立了驱动力矩与驱动电压之间的关系。根据所设计的微驱动器制作了样机,搭建了实验测试系统进行性能测试,测试结果表明,所设计的微驱动器在驱动频率5 Hz下,驱动电压100 V时达到最大步距783.5608μrad;在30 V驱动电压下,当驱动频率等于50 Hz时,达到最大转速18.54 rad/s;实验测得的最大驱动力矩为95.04 N?mm。所设计制作的微驱动器性能较好,对尺蠖微驱动器的发展具有一定的借鉴意义。
【学位单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH703
【部分图文】：

第一章 绪论[20]。日本的指田年生（T.Sashida）[21]在超声波驱动器的研究方面有较大的贡献，他将驻波定点、定期推动转子转动改进为行波多点变换、连续推动转子转动，从而研制成功的行波型超声波驱动器，其工作原理如图 1.1 所示，大大地降低了定子与转子界面的磨损，为超声波驱动器走向实用化开辟了道路，此后许多新型的超声波驱动器产品不断地被研制出来。此外，日本佳能公司、尼康公司等也成功在其生产的各类照相机中采用超声马达用于光学防抖，如图 1.2 所示。美国麻省理工学院与美国喷气推进实验室共同研发了双齿面行波旋转超声压电马达，并成功应用于火星探测器的姿态调整系统中，取得了令人满意的效果[22]，如图 1.3 所示。国内对于压电超声波驱动器的研究起步于 90 年代初期，相关高校及研究单位，包括清华大学、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、南京航空航天大学、天津大学等都对超声压电驱动技术进行了深入研究[23-26]，图 1.4 所示是中国科学技术大学贺良国、刘永斌等人设计的同步箝位压电马达，该压电马达由一个谐振驱动振子和同步箝位开关构成，结合超声马达的谐振驱动与尺蠖马达的控制机理，使输出组件沿导轨产生直线运动[27]。

第一章 绪论[20]。日本的指田年生（T.Sashida）[21]在超声波驱动器的研究方面有较大的贡献，他将驻波定点、定期推动转子转动改进为行波多点变换、连续推动转子转动，从而研制成功的行波型超声波驱动器，其工作原理如图 1.1 所示，大大地降低了定子与转子界面的磨损，为超声波驱动器走向实用化开辟了道路，此后许多新型的超声波驱动器产品不断地被研制出来。此外，日本佳能公司、尼康公司等也成功在其生产的各类照相机中采用超声马达用于光学防抖，如图 1.2 所示。美国麻省理工学院与美国喷气推进实验室共同研发了双齿面行波旋转超声压电马达，并成功应用于火星探测器的姿态调整系统中，取得了令人满意的效果[22]，如图 1.3 所示。国内对于压电超声波驱动器的研究起步于 90 年代初期，相关高校及研究单位，包括清华大学、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、南京航空航天大学、天津大学等都对超声压电驱动技术进行了深入研究[23-26]，图 1.4 所示是中国科学技术大学贺良国、刘永斌等人设计的同步箝位压电马达，该压电马达由一个谐振驱动振子和同步箝位开关构成，结合超声马达的谐振驱动与尺蠖马达的控制机理，使输出组件沿导轨产生直线运动[27]。

究起步于 90 年代初期，相关高校及研究单位，包括清华大学、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、南京航空航天大学、天津大学等都对超声压电驱动技术进行了深入研究[23-26]，图 1.4 所示是中国科学技术大学贺良国、刘永斌等人设计的同步箝位压电马达，该压电马达由一个谐振驱动振子和同步箝位开关构成，结合超声马达的谐振驱动与尺蠖马达的控制机理，使输出组件沿导轨产生直线运动[27]。图 1.1 T. Sashida 行波超声马达原理 图 1.2 佳能公司超声马达相机对焦系统
【参考文献】

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1 胡俊峰;杨展宏;;尺蠖式直线微驱动器的设计[J];光学精密工程;2018年01期

2 胡俊峰;郑昌虎;蔡建阳;;一种微操作平台的自适应运动跟踪控制[J];中国机械工程;2017年08期

3 胡俊峰;蔡建阳;;基于振动控制的微小物体释放操作方法与实验研究[J];兵工学报;2017年04期

4 杨模尖;姚志远;李响;严晓辛;;V型贴片式直线超声电机的结构优化设计[J];振动与冲击;2017年07期

5 裴利然;姜萍萍;颜国正;;基于支持向量机的跌倒检测算法研究[J];光学精密工程;2017年01期

6 胡俊峰;郑昌虎;蔡建阳;;基于支持向量机的压电微操作平台非线性特性描述[J];中国机械工程;2016年22期

7 胡俊峰;蔡建阳;郑昌虎;;基于Kriging模型的微夹持器优化设计[J];中国机械工程;2016年14期

8 卢倩;黄卫清;孙梦馨;;基于柔度比优化设计杠杆式柔性铰链放大机构[J];光学精密工程;2016年01期

9 陈翔宇;朱星星;杨淋;;基于扭振斜向贴片式应力型纵扭复合超声电机[J];机械与电子;2015年12期

10 邹利平;石万凯;张祺;;同步箝位压电马达的运动特性仿真[J];压电与声光;2015年06期

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1 李建平;步进式压电驱动基础理论与试验研究[D];吉林大学;2016年

2 张兆成;新型压电尺蠖精密驱动器柔性机构分析与实验研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

3 刘建芳;压电步进精密驱动器理论及实验研究[D];吉林大学;2005年

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1 刘玲玲;PID参数整定技术的研究及应用[D];郑州大学;2010年

2 肖曙;仿尺蠖微小型机器人嵌入式控制器的研究[D];哈尔滨工业大学;2006年

本文编号：2889740