压电双晶片型二自由度惯性冲击式精密驱动器理论与实验研究

论文摘要

本文分析了压电型精密驱动器的研究现状,结合国家863计划项目、国家自然科学基金项目和高等学校博士学科点专项科研基金项目,提出了以悬臂式压电双晶片为驱动元件,利用惯性冲击原理致动的压电双晶片型多自由度惯性冲击式精密驱动器,并对其进行了理论及实验研究。通过有限元分析和实验测试,分析了悬臂式压电双晶片静态特性。推导了自由端带有集中质量的悬臂式压电双晶片振子弯曲振动微分方程。对双晶片振子进行了弯曲模态有限元分析,确定了适于惯性冲击应用的振型。分别建立了双晶片振子和双晶片型惯性冲击式驱动器的动力学模型和仿真模型,利用Matlab对双晶片振子和驱动器进行了动力学仿真分析,得出了双晶片振子和驱动器的动态特性,提出了定频调压的特定控制方法。在此基础上,研制了直线、旋转和二自由度三种类型的双晶片型惯性冲击式驱动器样机,对其性能进行了实验测试和仿真分析对比研究,验证了理论模型和定频调压控制方法的正确性。为减小摩擦力变化对驱动器性能的影响,开发了基于LabVIEW虚拟仪器的驱动器闭环电控系统,提高了驱动器的位移精度。研究结果表明双晶片型惯性冲击式精密驱动器具有结构简单、行程大、驱动能力强、分辨率高及成本低等特点,有望成为现有精密驱动器的有力补充。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 压电式精密驱动器的研究进展
• 1.3 惯性式压电精密驱动器工作原理和国内外研究现状
• 1.4 选题意义和本文研究内容
• 第二章 压电陶瓷性能与压电双晶片静态特性分析
• 2.1 压电效应与压电材料
• 2.2 压电陶瓷（PZT）的性能参数和压电方程
• 2.3 压电双晶片的基本特性
• 2.4 悬臂式压电双晶片的静态特性分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 悬臂式压电双晶片动态特性的理论分析
• 3.1 压电双晶片的弯曲特性解析
• 3.2 压电双晶片的振动特性解析
• 3.3 悬臂式压电双晶片振子的模态分析
• 3.4 悬臂式压电双晶片振子的简化动力学模型
• 3.5 本章小结
• 第四章 悬臂式压电双晶片振子动态特性仿真和实验分析
• 4.1 悬臂式压电双晶片振子的仿真模型
• 4.2 悬臂式压电双晶片振子的参数和实验设置
• 4.3 仿真和实验结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 压电双晶片型惯性冲击式驱动器动力学特性理论和仿真分析
• 5.1 压电双晶片型惯性冲击式驱动器总体结构设计
• 5.2 压电双晶片型惯性冲击式精密驱动器的动力学模型
• 5.3 压电双晶片型惯性冲击式精密驱动器的动力学仿真模型
• 5.4 驱动器的仿真分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 压电双晶片型惯性冲击式精密驱动器结构设计和实验研究
• 6.1 驱动单元的结构设计
• 6.2 压电双晶片振子结构参数
• 6.3 摩擦副结构和摩擦力调整装置
• 6.4 驱动器的实验和仿真对比研究
• 6.5 本章小结
• 第七章 基于LABVIEW 虚拟仪器的驱动器闭环电控系统研究
• 7.1 闭环电控系统的组成
• 7.2 控制算法
• 7.3 实验测试
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢