弯振复合型压电驱动器的结构设计和性能分析

作     者：何盛 

作者单位：湘潭大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑学军

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：压电驱动器 弯振复合 欧拉伯努利梁 分段式电极 模态匹配 

摘      要：压电驱动器(Piezoelectric Actuator)是精密驱动系统的关键元器件,被广泛应用于机器人系统、微机械系统、超精密测量仪器等领域。弯振复合型压电驱动器是一种模态复合型驱动器,通过将振子在两个或者多个方向的弯曲振动进行复合,形成椭圆轨迹从而驱动转子(滑块)运动,具有结构简单、加工制作简单、生产成本低等优点。但是目前对弯振复合型压电驱动器的研究较少,而且普遍存在驱动性能不良的情况。本文首先通过理论建模和数值方法分析了多层悬臂梁压电振子的动态性能,然后基于悬臂梁压电振子结构,设计了一种弯振复合型压电驱动器,并利用有限元方法对压电驱动器的结构参数、振动特性、机械特性等进行了分析。本文主要工作包括:1.基于欧拉-伯努利梁理论和压电本构方程,本文建立了一个悬臂梁压电振子的动态模型,用来评估压电驱动器振子的动态特性。针对应变节点对振子在高阶模态下的影响,设计了一种分段式电极结构,对比研究了分段式电极和传统的连续式电极两种电极结构的振子的动态输出性能,发现分段式电极结构能有效提高振子在高阶模态下的输出性能,并根据提出的模型对振子结构参数进行了优化分析。2.基于悬臂梁压电振子结构,设计了一种贴片式结构的弯振复合型压电驱动器,该驱动器的振子基体采用两边对称悬臂梁结构,通过粘贴在悬臂梁上的两组压电片使振子产生水平和竖直两个方向的弯曲振动,通过这两个振动的耦合,实现驱动作用。然后从理论上解释了弯振模式压电驱动器的致动原理,并推导出了驱动足质点的椭圆轨迹方程。3.在理论分析的基础上,利用ANSYS有限元软件对弯振复合型压电驱动器建立了有限元模型,通过有限元模型分析了压电驱动振子各参数对其模态频率的影响,得到了能够实现振子竖直方向一阶和水平方向二阶弯振模态相互匹配的结构参数,当驱动电压的频率为21.072 kHz,压电驱动器可以实现在平面驱动。最后对压电驱动器的振动特性和机械特性进行了分析,结果指出本文设计的弯振复合型压电驱动器最大转矩为0.11Nm,最大输出功率为0.73W。