步进式压电驱动基础理论与试验研究

发布时间：2017-10-05 02:37

  本文关键词：步进式压电驱动基础理论与试验研究

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【摘要】：微/纳米级精密驱动与定位技术是超精密加工、精密测量、精密光学、现代医疗、航空航天等领域的主要支撑技术之一。当前,传统的驱动装置已无法满足诸多领域中对高精度驱动与定位的应用需求。压电精密驱动技术作为一种新型驱动技术,因其输出精度高、响应速度快、结构紧凑等显著优势,被广泛应用于各类精密驱动装置中。步进式压电驱动装置能克服压电材料行程较小的不足,因而受到了国内外学者的广泛关注。但现有步进式压电驱动装置存在输出精度低、承载能力不足、结构复杂等不足,论文在对步进式压电驱动装置的运动原理进行系统分析的基础上,提出采用尺蠖运动原理和寄生惯性运动原理设计研制大行程高精度的压电驱动装置,并对相关运动原理进行分析、对整机结构进行优化,据此建立了尺蠖型压电驱动装置和寄生惯性型压电驱动装置的动力学模型。试验结果表明,所研制的系列压电驱动装置能够在保证输出精度的同时实现大行程输出,可为步进式压电驱动基础研究提供一定的参考。尺蠖型压电驱动装置模仿自然界尺蠖虫的步进运动原理设计而成,利用多层扭转柔性铰链和压电叠堆,通过对钳位单元、驱动单元、预紧单元的交替时序控制,实现了步进式的大行程高精度旋转运动输出。论文分析了所研制的尺蠖型压电旋转驱动装置的运动原理、结构组成,并对其工作状态下的变形与应力分布、模态振型等进行了分析研究。通过构建的试验测试系统对所研制的尺蠖型压电驱动装置进行了试验分析,测得其旋转分辨率为4.95μrad,最大转动速度为6508.5μrad/s,最大输出转矩为93.1 N·mm。针对第一台尺蠖型压电旋转驱动装置结构复杂、集成与控制困难的不足,论文进一步研制了简化型尺蠖压电旋转驱动装置。采用三角杠杆柔性铰链同时实现钳位与驱动两个运动,简化了尺蠖运动的工作原理与控制过程,进而优化了尺蠖旋转驱动装置的整体结构。测试结果显示,其旋转分辨率为25μrad,最大运转速度为71300μard/s,最大输出转矩为19.6 N·mm。此外,通过对研制的两台尺蠖型压电旋转驱动装置原型样机的计算分析与试验测试,基于Lu Gre摩擦模型,建立了压电叠堆、柔性铰链与尺蠖型压电旋转驱动装置的动力学模型。Matlab/Simulink计算结果表明,所建立的整机动力学模型能够较好地表现尺蠖型压电旋转驱动装置的输出特性。在实现大行程与高精度输出的同时,为了达到结构微型化、控制简单化的目的,论文在对寄生惯性原理进行系统分析的基础上,研制了寄生惯性型压电驱动装置。通过对比多种柔性机构计算方法,指出了弹性梁法的优势,进而获得了桥式柔性铰链的寄生运动变形量与放大参数。桥式柔性铰链的寄生运动使得压电叠堆同时实现了两个方向的运动(驱动运动和预紧运动),从而提高了现有惯性驱动装置的输出性能。此外,针对步进式压电驱动装置,提出了压电双伺服PID闭环控制方法,使得同一压电叠堆可实现粗进给、精进给两种运动状态,从而有效提高了步进式压电驱动装置的输出分辨率。试验结果显示,其开环旋转分辨率为6.92μrad;最大运行速度为32000μrad/s;采用压电双伺服PID闭环控制策略,测得其旋转分辨率可达1.54μrad,约为相同工作条件下非闭环结果的250倍。为进一步提高寄生惯性型压电驱动装置的输出负载与输出速度,论文进一步研制了两种改进型的寄生惯性压电驱动装置。其中一种通过使用两个相互垂直的压电叠堆,增大了最高运动速度和承载能力,试验结果显示其位移分辨率为0.41μm,最高运动速度为0.735 mm/s,最大输出负载为0.294 N。另一种改进型寄生惯性型压电驱动装置使用了平行四边形柔性铰链,在提高输出性能的基础上,使得整体结构更为简化,测试结果显示其开环位移分辨率可达0.04μm,最高运行速度为14.25 mm/s,最大输出负载为3.43 N。此外,基于Lu Gre摩擦模型,建立了寄生惯性型压电驱动装置的动力学模型,Matlab/Simulink的计算结果验证了该动力学模型的可行性。尺蠖型压电驱动装置适用于输出负载大,且对运动速度要求不高的场合,但其整体结构与控制较复杂;寄生惯性型压电驱动装置则更适用于对快速定位有严格要求的、空间尺寸受限的场合。基于所研制的尺蠖型和寄生惯性型压电驱动装置,设计集成了可用于光导纤维微细操作的显微操作系统,并对关键部件压电微型夹持器进行了制造与试验测试分析。通过集成显微成像组件和微型力检测单元,该压电微型夹持器可以实现对光导纤维等微小物体的实时精细操作。本文关于步进式压电驱动基础理论的研究工作,为压电驱动装置的设计应用,提供了一定的理论与应用基础,对扩展压电精密驱动与定位技术的应用领域具有一定的推动意义。
【关键词】：精密驱动 压电陶瓷 柔性铰链 尺蠖运动 寄生运动 显微操作
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH703
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-27
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 压电驱动装置的分类及研究现状13-24
• 1.2.1 直动式压电驱动装置14-16
• 1.2.2 步进式压电驱动装置16-24
• 1.2.2.1 超声压电驱动装置16-18
• 1.2.2.2 尺蠖压电驱动装置18-21
• 1.2.2.3 摩擦惯性压电驱动装置21-24
• 1.3 论文主要研究内容24-27
• 第2章 压电驱动技术基础理论27-42
• 2.1 压电效应/逆压电效应27-28
• 2.2 压电材料及压电元件28-35
• 2.2.1 压电叠堆29-30
• 2.2.2 压电叠堆动力学模型30-32
• 2.2.3 压电叠堆迟滞特性研究32-35
• 2.3 柔性铰链35-39
• 2.3.1 柔性铰链的分类35-37
• 2.3.2 柔性铰链的计算方法37-39
• 2.4 精密直线/转角测量原理及误差分析39-41
• 2.5 本章小结41-42
• 第3章 尺蠖型压电驱动装置设计与试验研究42-64
• 3.1 尺蠖型压电旋转驱动装置42-52
• 3.1.1 运动原理42-43
• 3.1.2 结构设计与分析43-47
• 3.1.2.1 钳位单元44-45
• 3.1.2.2 驱动单元45-46
• 3.1.2.3 预紧单元46-47
• 3.1.3 模态动力学分析47-48
• 3.1.4 驱动装置输出特性试验测试48-52
• 3.1.4.1 试验测试系统48-49
• 3.1.4.2 试验测试结果49-52
• 3.2 简化型尺蠖压电旋转驱动装置52-59
• 3.2.1 结构设计及运动原理52-53
• 3.2.2 结构分析53-56
• 3.2.3 输出特性试验测试56-59
• 3.2.3.1 试验测试系统56-57
• 3.2.3.2 输出性能测试57-59
• 3.3 尺蠖型压电驱动装置动力学模型59-63
• 3.3.1 柔性铰链动力学模型59-60
• 3.3.2 摩擦模型60
• 3.3.4 尺蠖型压电旋转驱动装置动力学模型60-61
• 3.3.5 MATLAB/Simulink仿真实验61-63
• 3.4 本章小结63-64
• 第4章 寄生惯性型压电驱动装置设计与试验研究64-94
• 4.1 寄生惯性型压电旋转驱动装置64-76
• 4.1.1 寄生惯性运动原理65-66
• 4.1.2 桥式柔性铰链设计及计算66-70
• 4.1.3 驱动装置输出特性试验测试70-73
• 4.1.4 压电双伺服PID闭环控制系统73-76
• 4.2 改进型寄生惯性式压电直线驱动装置76-83
• 4.2.1 结构及运动原理76-77
• 4.2.2 铰链设计及计算分析77-79
• 4.2.3 输出性能试验测试79-83
• 4.3 改进II型寄生惯性直线驱动装置83-89
• 4.3.1 结构及运动原理83-84
• 4.3.2 结构分析及计算84-86
• 4.3.3 驱动装置输出性能试验测试86-89
• 4.4 寄生惯性型压电驱动装置动力学模型89-93
• 4.4.1 整机动力学模型建立89-91
• 4.4.2 MATLAB/Simulink仿真对比分析91-93
• 4.5 本章小结93-94
• 第5章 压电驱动装置在显微操作中的应用94-102
• 5.1 可用于光纤操作的全压电驱动型显微操作系统组建94-96
• 5.1.1 系统要求94-95
• 5.1.2 系统组成95-96
• 5.2 压电微型夹持器设计制造96-98
• 5.3 试验测试98-101
• 5.3.1 压电微型夹持器输出位移试验98-99
• 5.3.2 压电微型夹持器力信号检测单元试验99-100
• 5.3.3 光导纤维微夹持操作试验100-101
• 5.4 本章小结101-102
• 第6章 总结与展望102-104
• 参考文献104-112
• 附录112-113
• 作者简介与攻读学位期间的主要研究成果113-117
• 致谢117

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本文编号：974336