基于柔顺足驱动的步进型压电执行器研究

作     者：王书鹏 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：博士

导师姓名：荣伟彬

授予年度：2019年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：压电执行器 步进型 柔顺足 双驱动足 分辨率 

摘      要：微/纳米级精密驱动技术是诸多领域赖以发展的关键技术,而能够实现直线或旋转等精密位移输出的执行器是精密驱动技术的核心驱动装置,其工作性能的优劣直接影响微/纳米级精密驱动技术水平的高低。传统的驱动装置已经难以满足众多领域对精密驱动技术的性能要求。步进型压电执行器作为一种新型驱动装置,克服了压电材料形变位移较小的缺陷,具有输出精度高、速度频带宽、工作行程长、响应速度快等显著优势,被广泛应用于精密驱动装置。通过充分调研与分析,论文以“增大工作行程为主线,将现有的压电执行器归纳分类,概述其结构配置和工作原理,剖析其衍生关系和性能差异,并总结现有压电执行器存在的优势和缺陷。发现现有的惯性式压电执行器负载能力较低,现有的海豹式压电执行器正反运动不对称等不足。针对这些问题,本文提出了两种柔顺足驱动原理:适用于惯性式压电执行器的单输入、独立足驱动原理和适用于海豹式压电执行器的双输入、复合足驱动原理。基于单输入、独立足驱动原理,研制了单动力输入、独立驱动足压电直线和旋转执行器。基于双输入、复合足驱动原理,研制了双动力输入、复合驱动足压电直线和旋转执行器。对执行器结构配置和工作原理进行了详细介绍和分析,建立了压电陶瓷的机电转换模型,并推导了驱动原理中直板型柔性铰链和正圆型柔性铰链的柔度矩阵。论文建立了单动力输入、独立驱动足压电直线执行器的运动模型,推导了柔顺驱动足输入与输出之间的理论关系。运用有限元软件对柔顺驱动足的变形进行了仿真,并对驱动足的结构参数进行了优化。搭建试验系统对该执行器样机位移输出与驱动电压的关系、运动分辨率、位移输出与驱动频率的关系、运动速度与驱动电压和驱动频率的关系、负载能力、回程误差以及寄生位移等工作性能进行了测试和分析。建立了柔顺驱动足的单铰链伪刚体模型,并利用该伪刚体模型建立了单动力输入、独立驱动足压电旋转执行器的运动模型,分析了驱动足预紧状态对执行器工作性能的影响。运用有限元软件对该执行器柔顺驱动足的运动进行了仿真,并对其驱动模块进行了模态分析。搭建试验系统对该执行器样机角位移输出与驱动电压的关系、旋转分辨率、角位移输出与驱动频率的关系、旋转角速度与驱动电压和驱动频率的关系、负载能力以及回程误差等工作性能进行了测试和分析。论文建立了双动力输入、复合驱动足压电直线执行器的运动模型,对其菱形驱动机构的运动原理进行了理论分析,并推导了双驱动足的运动轨迹。运用有限元软件对菱形驱动机构的变形、运动以及应力分布进行了仿真,并对定子进行了模态分析。搭建试验系统对该执行器样机位移输出与驱动电压的关系、运动分辨率、位移输出与驱动频率的关系、运动速度与驱动电压和驱动频率的关系、负载能力、输出力以及寄生位移等工作性能进行了测试和分析。建立了双动力输入、复合驱动足压电旋转执行器的运动模型,对多边形驱动机构的运动过程进行了理论分析,并研究了双驱动足的运动规律。运用有限元软件对双驱动足的运动轨迹和多边形驱动机构的应力分布进行了仿真,并对定子进行了模态分析。搭建试验系统对该执行器样机的角位移输出曲线、旋转分辨率、旋转角速度与驱动电压和驱动频率的关系以及输出扭矩等工作性能进行了测试和分析。在所开发的单自由度压电执行器的基础上,研制了基于平面足驱动的直线–旋转两自由度压电执行器,对执行器的结构方案和工作原理进行了详细介绍和分析,并对执行器样机的工作性能进行了系统性测试和分析。论文通过方案设计、建模分析、仿真优化和试验验证等系统性研究工作,证明了柔顺足驱动原理的可行性,进一步验证了所开发的压电执行器具有良好的输出性能和工程应用前景。