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压电自感应式惯性驱动器的理论及试验研究

李晓韬  
【摘要】: 本文以压电自感应式惯性驱动器为研究对象,结合国家自然科学基金重点项目、国家863计划,分析了应用信号发生电路较为简单的对称波电信号激励压电晶片振子使驱动器定向运动的惯性冲击运动机理。基于新型惯性冲击原理设计了实现直线和旋转运动的两种惯性冲击式压电驱动器,该驱动器只需采用一对压电晶片振子就能产生定向运动,机械结构简单。对压电晶片振子的振动进行了主动控制,提高了压电自感应式惯性驱动器的定位精度。试验表明,所设计的直线式和旋转式压电驱动器实现了微纳米级定位精度。 主要研究内容如下: 首先分析了国内外压电驱动器的研究现状和应用前景,提出了结合压电自感知控制技术的压电自感应式惯性驱动器。分析了压电陶瓷理论及双向换能器的机理与特性,得到压电方程及压电双向换能传输矩阵,为压电陶瓷的应用提供了理论基础。 建立了压电晶片振子的有限元分析模型,理论分析了压电晶片振子的振动模态、正压电输出特性及逆压电输出特性,并分析了压电晶片在端部力作用下,产生感应电压特性及其分布变化规律,为压电自感知结构设计提供了依据。 其次分析了对称波电信号激励作用下压电驱动器实现惯性冲击运动的机理:通过改变压电驱动器和接触面之间的正压力,进而改变压电驱动器和接触面之间的摩擦力,并与驱动力相配合使驱动器沿预定方向运动。通过建立惯性冲击力模型及惯性冲击力的试验系统定量分析惯性冲击力的变化规律。通过对压电晶片振子的动力学建模及仿真,分析惯性冲击力的影响因素及变化趋势。 基于以上理论研究,设计了压电直线驱动器及压电旋转驱动器,仅采用一对压电晶片振子驱动即可实现单方向定向运动。分析了产生运动的条件及影响运动速度的因素,建立了惯性冲击式压电驱动器试验系统,试验分析了两种驱动器的输出特性。 最后进行了压电自感应式惯性驱动器的主动控制系统研究。设计了自感知执行机构,基于LabVIEW软件平台,对压电晶片振子进行残余振动抑制试验,并将此控制系统应用于压电驱动器,形成压电自感应式惯性驱动器,提高了驱动器的定位精度。 总之,通过对压电晶片元件的理论分析及试验研究,惯性冲击式压电驱动器试验样机的设计、制作及试验分析,验证了对称波激励压电驱动器实现惯性冲击运动的运动机理,压电驱动器实现了较高的速度和位移分辨率,为惯性冲击式压电驱动器的研究提供了新的思路和方法。


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