新型尺蠖型压电直线驱动器的设计与研究

摘要

尺蠖型压电直线驱动器是利用压电材料的逆压电效应,模仿自然界中尺蠖的运动原理,将压电材料的微小位移通过箝位-伸缩-箝位的蠕动爬行方式转变为长行程输出位移,在具有较大输出力的同时具有纳米级的输出精度。在航空航天、生物工程、精密操作及MEMS等领域具有十分广阔的应用前景。
　　本文围绕尺蠖型压电驱动器的设计展开论述,主要研究内容包括:对压电驱动器的分类特点、国内外的研究现状及压电驱动器的主要应用领域进行分析与研究;对驱动器设计使用的压电材料的工作原理及其基本特性进行了分析与研究;通过对尺蠖运动的运动机理及压电驱动器设计中常用的柔性铰链结构进行分析与研究,完成尺蠖型压电直线驱动器的结构设计;利用现有的实验条件构建尺蠖型压电驱动器控制系统,主要包括硬件搭建和软件实现两部分,完成压电驱动器开环重复定位精度测试及半闭环定位精度测试,对应用开环和半闭环控制原理实现驱动器精确定位控制进行了尝试;最后通过构建压电驱动器实验测试系统,完成所设计尺蠖压电驱动器的性能测试与分析。
　　通过实验测试,本文设计的新型尺蠖型压电直线驱动器工作行程20mm,最大箝位力47N,箝位稳定性5nm左右,最大驱动力38N,在驱动电压200V时,具有最大的运动步长32.15μm,步长稳定性误差小于3％,在驱动电压为10V时,具有最小的运动步长即驱动器的分辨率为20nm。驱动器在无负载状态下,在驱动频率30Hz,驱动电压200V时达到的最大驱动速度484.2μm/s,具备良好的工作性能,在精密驱动领域具有广泛的应用前景。

目录

新型尺蠖型压电直线驱动器的设计与研究

DESIGN AND RESEARCH ON NEW TYPE PIEZOELECTRIC INCHWORM LINEAR ACTUATOR

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 压电驱动器的分类及国内外研究现状

1.2.1 压电超声波驱动器

1.2.2 压电微位移驱动器

1.2.3 压电惯性驱动器

1.2.4 尺蠖型压电驱动器

1.3 压电驱动器的主要应用领域

1.4 本文主要研究内容

第2章 压电材料工作机理及特性研究

2.1 引言

2.2 压电材料基本特性

2.2.1 压电效应与逆压电效应

2.2.2 电致伸缩效应

2.3 压电叠堆

2.3.1 压电叠堆的工作机理

2.3.2 压电叠堆工作特性

2.4 压电叠堆的选用

2.5 本章小结

第3章 新型尺蠖型压电直线驱动器结构设计

3.1 引言

3.2 尺蠖型压电直线驱动器运动原理

3.3 柔性铰链分析

3.3.1 柔性铰链分类及设计原则

3.3.2 柔性铰链刚度计算

3.4 尺蠖型压电直线驱动器结构设计

3.4.1 箝位机构设计

3.4.2 驱动机构设计

3.4.3 底座导轨一体机构设计

3.4.4 压电叠堆预紧机构设计

3.5 本章小结

第4章 尺蠖型压电直线驱动器驱动控制系统研究

4.1 引言

4.2 尺蠖型压电直线驱动器驱动控制实验仪器及驱动原理

4.3 尺蠖型压电直线驱动器半闭环定位控制初步研究

4.3.1 压电驱动器半闭环定位控制原理

4.3.2 压电驱动器半闭环定位控制硬件部分

4.3.3 压电驱动器半闭环定位控制软件部分

4.3.4 压电驱动器半闭环定位控制实验结果及分析

4.4 本章小结

第5章 尺蠖型压电直线驱动器性能测试与分析

5.1 引言

5.2 压电驱动器实验测试系统

5.2.1 压电驱动器性能测试工作原理

5.2.2 实验测试仪器与系统

5.3 尺蠖型压电直线驱动器工作性能测试

5.3.1 压电驱动器箝位特性测试

5.3.2 压电驱动器步长性能测试

5.3.3 压电驱动器驱动力测试

5.3.4 压电驱动器无负载驱动速度测试

5.3.5 压电驱动器工作行程分析

5.3.6 压电驱动器不同输入波形对驱动器性能的影响

5.3.7 压电驱动器润滑与非润滑状态对驱动器性能的影响

5.3.8 压电驱动器开环重复定位精度测试

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢