尺蠖型压电驱动器基础理论与试验研究

论文摘要

本文提出了以压电叠堆为动力转换元件，基于尺蠖运动机理实现超精密定位的新型驱动器方案。系统分析了压电叠堆与机械柔性机构的作用机理和直角柔性铰链的空间力学模型，为驱动器优化设计提供了理论依据。采用驱动器定子在转子(或直线动子)外侧双向对称钳位的方法，保证了驱动器钳位过程的稳定性。通过扭转柔性铰链成功地将压电叠堆直线运动转化为旋转运动，系统剖析了驱动器各组成元件的特性，利用MSC.Patran／Nastran软件预测了驱动器定子的模态分布和频响特性；在此基础上，独立开发了压电旋转驱动器。该驱动器基于推进方式工作，转子上无任何电器元件，可充分保证其刚度和加工精度，并可实现360°连续转动；通过压电叠堆正向推力、柔性铰链反向回弹力综合作用，实现了驱动器转子正、反方向双向运动。实验测试表明：该驱动器具有较高的往复定位精度；通过楔块机构对压电叠堆实现精密预紧调节，保证了压电叠堆的工作稳定性和使用寿命；通过试验测试和利用MSC.Marc仿真分析相结合的手段，研究了钳位机构与转子的微观接触过程，分析了钳位接触面对驱动器性能的影响，提出采用大钳位接触面对转子进行钳位的方案；经试验测试，该驱动器开环工作具有运动分辨率高、承载能力强、转动速度快及输出稳定等优点。作者还提出了混合驱动式尺蠖型压电直线驱动器的研究方案，在直线动子上装配了驱动压电叠堆，并通过特定机械结构实现了“二次钳位”。利用尺蠖型压电驱动器输出单步位移与驱动电压间分段线性拟合方程，逐步“搜索”最优驱动电压值，有效地实现了驱动器的精确闭环控制。另外作者还进行了将压电驱动技术应用到材料微观特性测试上的尝试，该方案可同时完成对精细材料的纳米压痕和纳米刻划测试。由于尺蠖型压电驱动器具有优良的性能，在相关领域将会有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 压电驱动器的研究进展
• 1.2.1 压电超声波驱动器
• 1.2.2 压电微位移工作台
• 1.2.3 惯性摩擦式压电驱动器
• 1.3 尺蠖型压电驱动器
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第二章 压电驱动技术的基础理论
• 2.1 压电效应与压电方程
• 2.1.1 压电效应/逆压电效应
• 2.1.2 压电元件的工作模式
• 2.1.3 压电方程
• 2.2 压电叠堆
• 2.2.1 压电叠堆的工作原理
• 2.2.2 压电叠堆驱动模型
• 2.2.3 压电叠堆的能量转换效率
• 2.2.4 压电叠堆的工作特性
• 2.3 尺蠖型压电驱动技术的力学基础
• 2.3.1 静力学分析
• 2.3.2 动力学分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 尺蠖型压电驱动器的原理、分类及柔性铰链力学分析
• 3.1 尺蠖型压电驱动器的工作原理
• 3.2 尺蠖型压电驱动器的分类
• 3.3 直角柔性铰链
• 3.3.1 柔性铰链
• 3.3.2 常用柔性铰链的结构形式及性能比较
• 3.3.3 空间坐标系下直角柔性铰链的力学特性
• 3.3.4 柔性铰链的并联结构
• 3.3.5 柔性铰链的响应特性
• 3.4 本章小结
• 第四章 尺蠖型压电旋转驱动器的开发研究
• 4.1 尺蠖型压电旋转驱动器的工作原理
• 4.2 尺蠖型压电旋转驱动器组成单元的设计分析
• 4.2.1 钳位机构的设计分析
• 4.2.2 驱动机构的设计分析
• 4.2.3 预紧机构的设计分析
• 4.2.4 转动机构的设计分析
• 4.3 转子与定子钳位面间的接触分析
• 4.3.1 钳位过程的有限元仿真分析
• 4.3.2 转子接触面的实验测试
• 4.4 压电旋转驱动器的机械特性
• 4.4.1 静力学分析
• 4.4.2 模态分析
• 4.4.3 工作方向的频响特性
• 4.5 驱动器输出特性的试验测试
• 4.5.1 钳位特性的测试
• 4.5.2 驱动电压与输出转角的关系
• 4.5.3 驱动器的运动稳定性和定位精度
• 4.5.4 驱动器的旋转分辨率
• 4.5.5 驱动器的运转速度
• 4.5.6 驱动器的承载能力
• 4.5.7 驱动器的动态特性
• 4.6 尺蠖型压电驱动器的控制方法
• 4.6.1 尺蠖型压电驱动器的电源控制器
• 4.6.2 尺蠖型压电驱动器的闭环控制
• 4.7 本章小结
• 第五章 尺蠖型压电直线驱动器的开发研究
• 5.1 尺蠖型压电直线驱动器的工作原理
• 5.2 压电直线驱动器组成单元的设计分析
• 5.2.1 驱动器定子的设计分析
• 5.2.2 驱动器动子的设计分析
• 5.2.3 预紧机构的设计分析
• 5.2.4 导向机构的设计分析
• 5.3 压电直线驱动器的机械结构
• 5.4 压电直线驱动器的系统动力学模型
• 5.5 压电直线驱动器输出性能的试验测试
• 5.5.1 钳位特性
• 5.5.2 驱动器的单步输出位移与运动分辨率
• 5.5.3 驱动器的运动速度
• 5.5.4 驱动器的承载能力
• 5.5.5 驱动器的运动行程
• 5.5.6 驱动器的动态特性
• 5.6 影响驱动器性能的因素
• 5.6.1 驱动器的机械机构
• 5.6.2 摩擦阻尼
• 5.6.3 温度
• 5.6.4 环境振动
• 5.7 本章小结
• 第六章 压电驱动技术在材料微观特性测试中的应用探索
• 6.1 研究意义
• 6.2 压电驱动式材料微观特性测试系统的组建
• 6.2.1 系统要求
• 6.2.2 系统构成
• 6.2.3 接触探测与位移/力传感测试
• 6.3 理论分析与试验测试
• 6.4 展望
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 攻读博士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