摩擦力变化式压电惯性驱动机构的研究

论文摘要

本文首次提出通过机械方式控制压电驱动机构和支撑面之间摩擦力的有序变化，形成有规律运动的摩擦力变化式压电惯性驱动装置的研究方案。控制摩擦力变化的方式有两种：其一是通过改变运动时压电驱动机构与接触面之间的正压力，控制摩擦力的变化；其二是通过改变压电驱动机构与支撑面之间的摩擦系数，控制摩擦力的变化。形成运动的机理符合摩擦学的基本定律，且和目前利用锯齿波电信号控制的压电惯性驱动机构具有本质的区别。研究工作内容涉及压电学、机械学、电学、振动分析、摩擦学、力学、材料学等多方面知识，属于多学科知识综合运用的研究项目。 建立压电元件的有限元模型，分析振动模态并测试动态响应。对接触表面进行了摩擦学分析，利用Simulink仿真分析了简单机械系统摩擦状态的动态响应特性。对摩擦力变化式压电惯性驱动机构，建立了动力学模型并利用Matlab进行了仿真分析，系统研究了驱动机构的静、动态特性，对“驱动足”与支撑表面的相互作用进行了分析，为试验研究奠定了理论基础。 基于正压力变化式压电惯性驱动机理，设计、研制了3种不同结构形式的直线驱动机构及2种旋转驱动机构；基于摩擦系数变化式压电惯性驱动机理，设计、研制了1种直线惯性驱动机构。对各种机构进行了大量的试验研究，试验结果证明理论分析是正确的。 采用LabVIEW虚拟仪器作为开发平台，构建了压电惯性驱动机构的闭环控制系统。试验表明，该闭环控制系统提高了定位精度。 本课题的研究工作，为压电驱动机构的研究提供新的思路、开辟新的途径，为微小型移动机械、机器人的移动机构等方面的研究工作提供新的借鉴。

论文目录

• 提要
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 压电驱动器的研究现状
• 1.2.1 压电超声波驱动器
• 1.2.2 直接驱动式驱动器
• 1.2.3 压电步进驱动器
• 1.2.4 压电惯性驱动器
• 1.3 压电驱动器的主要应用领域
• 1.4 本文选题的意义和研究内容
• 1.4.1 选题意义
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 压电驱动技术和摩擦惯性驱动的基本理论
• 2.1 压电材料和压电效应
• 2.2 压电陶瓷的性能参数
• 2.2.1 机电耦合系数
• 2.2.2 机械品质因数
• 2.2.3 压电常数
• 2.3 压电方程
• 2.4 压电振子
• 2.4.1 压电振子的振动模式
• 2.4.2 压电振子的谐振特性
• 2.4.3 压电振子等效电路
• 2.5 常用压电元件
• 2.5.1 压电双晶片的结构和工作原理
• 2.5.2 压电叠堆的结构和工作原理
• 2.5.3 压电元件的迟滞特性
• 2.6 摩擦-惯性冲击驱动基本理论
• 2.6.1 接触表面的摩擦学分析
• 2.6.2 摩擦模型的特性
• 2.6.3 惯性驱动机构摩擦模型的Simulink仿真分析
• 2.7 压电惯性冲击驱动器运动机理分析
• 2.8 本章小结
• 第3章 压电元件基本性能理论分析与试验研究
• 3.1 压电双晶片振子的有限元分析
• 3.1.1 压电双晶片振子有限元静力学分析
• 3.1.2 压电双晶片振子有限元模态分析
• 3.2 压电双晶片振子的静态特性测试
• 3.3 压电双晶片振子的动态特性分析
• 3.3.1 压电双晶片振子动态响应的力学模型
• 3.3.2 动态特性测试分析
• 3.4 压电叠堆的有限元分析
• 3.4.1 压电叠堆驱动器静态特性分析
• 3.4.2 压电叠堆驱动器动态特性分析
• 3.5 压电叠堆驱动器的试验研究
• 3.5.1 微位移测试系统
• 3.5.2 压电叠堆的静态特性测试
• 3.5.3 压电叠堆的动态特性测试
• 3.6 本章小结
• 第4章 正压力变化式压电惯性驱动机构的动力学分析
• 4.1 正压力变化式压电惯性驱动机构的运动机理
• 4.2 压电惯性驱动机构的动力学建模
• 4.3 压电惯性驱动机构的动力学MATLAB仿真分析
• 4.4 正压力变化式压电叠堆惯性驱动机构
• 4.4.1 压电叠堆直线驱动机构设计
• 4.4.2 压电叠堆旋转驱动机构设计
• 4.5 正压力变化式压电双晶片惯性驱动机构
• 4.5.1 压电双晶片驱动单元的结构设计
• 4.5.2 压电双晶片直线驱动机构设计
• 4.5.3 压电双晶片旋转驱动机构设计
• 4.5.4 压电双晶片驱动机构的受力分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 正压力变化式压电惯性驱动机构的试验研究
• 5.1 运动特性测试系统的组成及测试方法
• 5.2 正压力变化式压电叠堆惯性驱动机构的试验研究
• 5.2.1 压电叠堆惯性直线驱动机构的试验测试
• 5.2.2 压电叠堆惯性旋转驱动机构的试验测试
• 5.3 正压力变化式压电双晶片惯性驱动机构的试验研究
• 5.3.1 压电双晶片惯性直线驱动机构的性能测试
• 5.3.2 压电双晶片惯性旋转驱动机构的性能测试
• 5.4 基于v型导轨的压电惯性驱动机构的结构形式及性能测试
• 5.4.1 基于v型导轨的压电惯性驱动机构的工作机理
• 5.4.2 基于v型导轨的压电惯性驱动机构
• 5.4.3 基于v型导轨的压电双晶片式惯性驱动机构的试验测试
• 5.4.4 基于v型导轨的压电叠堆式惯性驱动机构的试验测试
• 5.4.5 基于v型导轨的惯性驱动机构的性能特点
• 5.5 本章小结
• 第6章 摩擦系数变化式压电惯性驱动机构的研究
• 6.1 改变接触面摩擦系数的驱动机理
• 6.2 摩擦系数变化式压电惯性直线驱动结构设计和运动分析
• 6.2.1 压电惯性直线驱动机构的结构设计
• 6.2.2 摩擦系数变化式惯性直线驱动机构的运动分析
• 6.3 摩擦系数变化式压电惯性驱动机构的试验研究
• 6.3.1 驱动足倾斜角度与驱动机构运动速度的试验
• 6.3.2 驱动机构的运动速度曲线测试
• 6.3.3 驱动机构速度和电压、频率之间的关系
• 6.3.4 驱动机构步长与电压、频率的关系
• 6.3.5 不同材料的摩擦副运动特性实验
• 6.5 本章小结
• 第7章 压电惯性驱动机构闭环控制系统的研究
• 7.1 闭环控制系统的组成及基本工作原理
• 7.2 闭环反馈定位停止控制系统
• 7.2.1 基于LabVIEW的定位停止控制系统的编译
• 7.2.2 定位停止控制系统试验分析
• 7.3 闭环反馈精确步长控制系统
• 7.3.1 PID控制系统
• 7.3.2 基于LabVIEW的精确步长控制系统的编译
• 7.3.3 精确步长控制系统的试验分析
• 7.4 本章小结
• 第8章 结论及展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文
• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢