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新型压电尺蠖精密驱动器柔性机构分析与实验研究

张兆成  
【摘要】: 压电尺蠖精密驱动器是基于尺蠖原理实现双向、大行程、高精度直线运动的精密驱动器。针对压电尺蠖驱动器存在的主要问题,本文重点针对尺蠖驱动器关键元件柔性铰链机构进行了系统而深入的研究,提出了一种新型行走型尺蠖驱动器。本文主要研究内容包括以下几个方面: 对各类尺蠖驱动器的工作原理、运动方式等进行了系统地分析和研究,针对传统行走型尺蠖驱动器加工要求高、调整配合困难的缺点,提出了利用两根平行轴作为导向机构的新型行走型尺蠖驱动器。该构型的特点便于采用调整机构对压电叠堆预紧及箝位摩擦面间隙进行调整,降低了加工要求,提高了系统可靠性。对该尺蠖驱动器的结构原理方案进行了详细的分析,同时对驱动器的导向轴、铜套和预紧机构进行了具体设计与分析,本文还分析了压电叠堆与柔性机构的耦合特性。 对尺蠖驱动器的关键元件柔性铰链机构进行分析研究,探讨了柔性铰链的精度特性。基于有限元方法建立了单切口柔性铰链旋转刚度模型。提出利用桥式柔性机构作为尺蠖驱动器中间驱动机构与箝位机构的耦合柔性机构,对桥式耦合柔性机构进行了相应的理论分析,研究了柔性铰链寄生刚度及旋转刚度精度对该类柔性机构静力学模型的影响,并建立了高精度的刚度和应力模型,采用能量法建立其固有频率模型。通过定义的误差贡献率评价指标,方便地分析了柔性铰链寄生刚度对平面柔性铰链机构刚度模型精度的影响。利用有限元方法给出根据性能要求确定柔性机构几何参数的简单有效的优化方法,并使用有限元软件ANSYS及实验方法进行了验证。建立了平行板柔性机构精确的刚度模型,对其尺寸参数进行了设计分析,并使用有限元分析方法进行了验证计算。 针对尺蠖驱动器柔性机构三维有限元模型建模复杂、计算效率低的问题,对等效梁模型进行了分析比较研究,对其建模的基础柔性铰链的三维有限元模型与实验结果进行对比分析,并对其承受剪切力的情况进行了对比分析,结果表明该模型具有较好的精度。以桥式柔性机构为例,对椭圆柔性铰链等效梁模型进行了分析比较,结果表明该模型具有广泛的适用性。论文还利用等效梁模型对桥式柔性机构进行优化仿真分析,结果表明该模型具有精度好、效率高的特点,适用于尺蠖驱动器柔性机构的参数优化设计。 为了验证上述模型,研制了尺蠖驱动器专用的驱动控制器,构建了尺蠖驱动器的实验测试系统,对尺蠖驱动器样机进行了实验研究,测试并分析了尺蠖驱动器的各项性能参数。实验证明,该尺蠖驱动器的结构方案是可行的,达到了预期的设计目标,进一步优化后可具有良好的性能,为其进一步的研究提供了依据。 本文研究的新型行走型尺蠖驱动器克服了传统行走型尺蠖驱动器的不足,在确保行程、输出力、速度及精度的同时具有易装可调、成本低廉的特点,对于推动尺蠖驱动器的实用化及产业化具有一定的积极意义。对尺蠖驱动器耦合柔性机构的理论分析方法,可用于平面柔性机构的分析研究,具有一定的通用性。


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