压电步进二维精密驱动器理论及实验研究

论文摘要

压电步进精密驱动器是以压电器件为驱动元件,利用步进驱动原理实现微米甚至亚纳米级运动的驱动器。本文以实现压电步进二维精密驱动为目标,开展了相应的基础理论、结构设计、实验测试以及驱动控制方面的研究。本文首先对压电材料的性能、压电方程及压电叠堆进行了一般分析。然后对压电步进式精密驱动器的基本结构进行了分析和研究,包括驱动器的材料、柔性铰链的结构参数、压电叠堆的预紧调整机构、箝位以及驱动机构。为压电步进精密驱动器的设计提供了必要的理论依据。提出了组合式压电步进二维精密驱动器的构造方法。为了构建组合式驱动器,提出了分体式双侧外箝位内驱动和整体式双侧外箝位外驱动两种单自由度压电步进式直线驱动器的构造新方法。建立了两种驱动器关键结构动力学模型,推导了运动传递函数,并利用ANSYS工程软件进行了相应的有限元分析,对其两个自由度运动之间的相互影响进行分析。制造了样机,通过实验研究证实,组合式压电步进二维精密驱动器可以实现较高分辨率、较大行程与较大驱动力的精密驱动。在组合式基础上,提出了整体式压电步进二维旋转直线精密驱动器的构造新方法。对其旋转运动柔性铰链和直线运动柔性铰链进行了力学建模分析和有限元分析。获得了其旋转运动与直线运动之间的关系以及相互影响。经实验研究表明,其工作性能良好,部分指标优于组合式压电步进二维精密驱动器。对压电步进式精密驱动器的驱动控制进行了研究。利用虚拟仪器GPIB仪器控制系统构造了闭环控制系统,设计了相应的控制流程。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 压电精密驱动器的分类及研究现状
• 1.2.1 压电惯性式驱动器
• 1.2.2 压电直动式驱动器
• 1.2.3 压电步进式驱动器
• 1.3 压电精密驱动器主要应用领域
• 1.4 研究意义
• 1.5 研究内容
• 第二章 精密驱动元件压电叠堆
• 2.1 前言
• 2.2 压电材料性能
• 2.2.1 压电效应
• 2.2.2 压电方程
• 2.2.3 压电材料的主要性能参数
• 2.3 压电叠堆的结构及工作原理
• 2.4 压电叠堆的工作特性
• 2.4.1 电容特性
• 2.4.2 响应特性
• 2.4.3 力学特性
• 2.4.4 迟滞特性
• 2.4.5 温度特性
• 2.5 本章小结
• 第三章 压电步进精密驱动基本结构研究
• 3.1 前言
• 3.2 柔性铰链的分析
• 3.2.1 分类及其运动特点
• 3.2.2 材料与加工
• 3.3 运动机构的分析与研究
• 3.4 调整机构的分析
• 3.5 导向面作用的分析
• 3.6 小结
• 第四章 组合式压电步进二维精密驱动器 的设计及实验研究
• 4.1 前言
• 4.2 分体式外箝位内驱动步进直线精密驱动器研究
• 4.2.1 结构与工作原理
• 4.2.2 实验研究
• 4.2.3 小结
• 4.3 整体式外箝位外驱动步进直线精密驱动器研究
• 4.3.1 结构与工作原理
• 4.3.2 动力学及有限元模型分析
• 4.3.3 实验研究
• 4.3.4 小结
• 4.4 组合式压电步进二维精密驱动器研究
• 4.4.1 结构
• 4.4.2 实验研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 整体式压电步进直线旋转二维精 密驱动器的设计及实验研究
• 5.1 前言
• 5.2 结构与工作原理
• 5.3 动力学及有限元模型分析
• 5.3.1 旋转运动分析
• 5.3.2 直线运动分析
• 5.4 实验研究
• 5.4.1 箝位特性分析
• 5.4.2 步距与分辨率分析
• 5.4.3 运动速度分析
• 5.4.4 驱动能力分析
• 5.4.5 工作行程分析
• 5.4.6 旋转与直线运动相互影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 压电步进精密驱动器闭环控制的初步研究
• 6.1 前言
• 6.2 虚拟仪器
• 6.3 闭环控制系统的组成
• 6.3.1 硬件部分
• 6.3.2 软件部分
• 6.3.3 控制系统的工作原理
• 6.4 控制方法研究
• 6.5 基于LABVIEW 的程序开发
• 6.6 实验研究
• 6.7 本章小结
• 第七章 结论
• 7.1 本文工作的总结
• 7.2 本文创造性的工作
• 参考文献
• 致 谢
• 攻读博士期间发表的论文
• 摘 要
• ABSTRACT