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尺蠖型压电驱动器基础理论与试验研究

赵宏伟  
【摘要】:本文提出了以压电叠堆为动力转换元件,基于尺蠖运动机理实现超精密定位的新型驱动器方案。系统分析了压电叠堆与机械柔性机构的作用机理和直角柔性铰链的空间力学模型,为驱动器优化设计提供了理论依据。采用驱动器定子在转子(或直线动子)外侧双向对称钳位的方法,保证了驱动器钳位过程的稳定性。通过扭转柔性铰链成功地将压电叠堆直线运动转化为旋转运动,系统剖析了驱动器各组成元件的特性,利用MSC.Patran/Nastran软件预测了驱动器定子的模态分布和频响特性;在此基础上,独立开发了压电旋转驱动器。该驱动器基于推进方式工作,转子上无任何电器元件,可充分保证其刚度和加工精度,并可实现360°连续转动;通过压电叠堆正向推力、柔性铰链反向回弹力综合作用,实现了驱动器转子正、反方向双向运动。实验测试表明:该驱动器具有较高的往复定位精度;通过楔块机构对压电叠堆实现精密预紧调节,保证了压电叠堆的工作稳定性和使用寿命;通过试验测试和利用MSC.Marc仿真分析相结合的手段,研究了钳位机构与转子的微观接触过程,分析了钳位接触面对驱动器性能的影响,提出采用大钳位接触面对转子进行钳位的方案;经试验测试,该驱动器开环工作具有运动分辨率高、承载能力强、转动速度快及输出稳定等优点。作者还提出了混合驱动式尺蠖型压电直线驱动器的研究方案,在直线动子上装配了驱动压电叠堆,并通过特定机械结构实现了“二次钳位”。利用尺蠖型压电驱动器输出单步位移与驱动电压间分段线性拟合方程,逐步“搜索”最优驱动电压值,有效地实现了驱动器的精确闭环控制。另外作者还进行了将压电驱动技术应用到材料微观特性测试上的尝试,该方案可同时完成对精细材料的纳米压痕和纳米刻划测试。由于尺蠖型压电驱动器具有优良的性能,在相关领域将会有广阔的应用前景。


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