粘滑式慣性壓電精密驅(qū)動器設計分析與試驗研究

《粘滑式慣性壓電精密驅(qū)動器設計分析與試驗研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在學術論文-天天文庫。

1、粘滑式慣性壓電精密驅(qū)動器設計分析與試驗研究DesignandExperimentalResearchofanInertialPiezoelectricPrecisionActuatorbyMeansofStick-slipMotion作者姓名：邵明坤專業(yè)名稱：機械制造及其自動化研究方向：壓電精密驅(qū)動指導教師：趙宏偉教授學位類別：工學碩士答辯日期：2015年5月30日本文工作得到下列項目資助1..國家重大科學儀器設備開發(fā)專項任務課題“材料力學性能原位測試儀器與軟件系統(tǒng)的研制開發(fā)（2012YQ03007501）”，2012.10-2016.102.國家高技術研究發(fā)展計劃

2、(863)重大項目課題“跨尺度原位力學測試新技術與儀器裝備的開發(fā)制造（2012AA041206）”，2011.12-2015.123.國家自然科學基金項目“接近服役條件下材料微觀力學性能原位測試新技術的研究（51275198）”，2013.1-2016.124.國家自然科學基金優(yōu)秀青年基金“材料微觀力學性能原位測試技術與應用（51422503）”，2015.1-2017.125.國家自然科學基金項目“超聲懸浮減摩技術提高慣性摩擦式驅(qū)動器性能的機理與控制技術研究（51105163）”，2012.01-2014.12摘要粘滑式慣性壓電精密驅(qū)動器設計分析與試驗研究隨著現(xiàn)代

3、科學技術的迅猛發(fā)展，微納加工、微納操作、精密光學、生物醫(yī)學工程、航空航天等諸多前沿高科技領域發(fā)生了日新月異的變化。這些領域不斷進步的同時，對其核心支撐技術——超精密驅(qū)動技術提出了更高更新的要求，如超高精度、大行程、強承載能力和輕量化等。世界各國科技工作者積極致力于新型精密驅(qū)動器件的設計與研制中，以滿足前沿領域?qū)Ω咝阅苣芫茯?qū)動器件的需求。目前，如雨后春筍般出現(xiàn)的各類新型精密驅(qū)動器，極大地推動了精密驅(qū)動技術的發(fā)展，其中基于粘滑慣性驅(qū)動原理的壓電驅(qū)動器由于結(jié)構(gòu)緊湊、行程大、運動精度高、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點受到了國內(nèi)外學者廣泛關注，表現(xiàn)出良好的應用前景。本文系統(tǒng)地分析了精密

4、驅(qū)動領域國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，歸納總結(jié)了各類精密驅(qū)動器的優(yōu)勢、不足以及適用場合。在此基礎上，著眼于慣性式壓電驅(qū)動器的現(xiàn)存不足，如壓電驅(qū)動中遲滯、蠕變等非線性因素導致的運動不平穩(wěn)、低定位精度，開環(huán)式步進驅(qū)動存在的系統(tǒng)誤差等，開展了較為系統(tǒng)地分析，設計一種新型粘滑式慣性壓電精密驅(qū)動器。該粘滑式慣性壓電精密驅(qū)動器基于壓電驅(qū)動與柔性鉸鏈傳動技術，并在步進式工作模式基礎上有效結(jié)合PID閉環(huán)控制理論進行掃描式精密微調(diào)微動，不僅大幅提高了驅(qū)動器的運動行程，同時還有力的保證了驅(qū)動器的運動定位精度與驅(qū)動效率。文中設計的粘滑式慣性壓電精密驅(qū)動器基于壓電驅(qū)動與柔性鉸鏈傳動技術，主要包括作為驅(qū)

5、動源的疊堆型壓電陶瓷和作為動力傳動、位移放大機構(gòu)的“橋式”柔性鉸鏈。為深入分析驅(qū)動器核心部件與整機的動力學性能：利用Simulink仿真軟件對疊堆型壓電陶瓷的數(shù)學模型進行了動力學仿真分析；利用ABAQUS仿真軟件對“橋式”柔性鉸鏈的強度、剛度、模態(tài)陣型等方面進行了有限元分析計算；建立了驅(qū)動器整機數(shù)學模型，并推導了其動力學運動方程。為改善以往慣性式壓電驅(qū)動器由于遲滯、蠕變以及開環(huán)控制系統(tǒng)存在的運動穩(wěn)定性較差、定位精度較低等不足，本文設計的粘滑式慣性壓電驅(qū)動器采用步進式工作模式（step-typemode）和掃描式工作模式（scan-typemode）兩種方式結(jié)合驅(qū)動。

6、步進式粗調(diào)節(jié)工作模式實現(xiàn)驅(qū)動器的快速初步定位，掃描式精密驅(qū)動方式微調(diào)微動實現(xiàn)驅(qū)動器的最終精密定位，二者共同控制粘滑式慣性壓電驅(qū)動器精密1定位，不僅大幅提高了驅(qū)動器的運動行程，還有力的保證了驅(qū)動器的運動定位精度與驅(qū)動效率。其中在掃描式工作模式中添加的PID閉環(huán)自動控制模塊，極大地提升了慣性式驅(qū)動器的運動定位精度。文中簡要介紹了整個閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成以及各個模塊功能，并利用LabVIEW圖像化設計語言（G語言）編寫了驅(qū)動器整體閉環(huán)控制系統(tǒng)程序。通過對粘滑式慣性壓電驅(qū)動器進行閉環(huán)自動控制試驗，得到了驅(qū)動器的運動定位精度e=±10nm，說明了該慣性式壓電驅(qū)動器的驅(qū)動定位精度

7、性能優(yōu)越，完全符合設計要求。為進一步分析粘滑式慣性壓電驅(qū)動器步進式工作模式運動的重要動力學性能，本文在慣性式壓電驅(qū)動器工作運動原理與機械動力學仿真的理論基礎上，試制了粘滑式慣性精密壓電驅(qū)動器的試驗樣機，搭建了整套試驗測試系統(tǒng)，對其機械輸出性能進行系統(tǒng)地試驗與研究。試驗獲得了步進式工作模式（stick-slip）下的相關動力學性能指標：如步長與電壓的關系、步長與頻率的關系、步長與負載的關系、步進驅(qū)動器穩(wěn)定性、往復運動精度等。粘滑式慣性壓電驅(qū)動器有效工作電壓為70-100V，有效工作頻率為1-550Hz，穩(wěn)定承載能力為0-5N，最大牽引力1.58N，最大承載力50N