基于铰链位移放大原理的直线压电粘滑驱动器研究

作     者：李义康 

作者单位：长春工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：程廷海

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 

主      题：压电粘滑驱动 双向驱动 三角放大 杠杆放大 柔性铰链 

摘      要：随着航空航天、微纳加工、生物医疗工程及精密光学仪器等领域的快速发展,使得其对精密驱动技术的性能提出了更高的要求。压电粘滑驱动技术由于具有响应速度快、行程大、精度高和无电磁干扰的优点,近年来受到广泛的关注。本文提出了基于铰链位移放大原理的压电粘滑驱动器,设计了压电叠堆垂直于导轨和压电叠堆平行于导轨两种结构,以解决铰链型单压电叠堆粘滑驱动器输出速度低和反向运动受到抑制的问题。其中,三角型压电粘滑驱动器利用三角放大时长边受力变形大于短边变形的特点,可有效提高驱动器的输出速度,但仍存在反向运动抑制问题;杠杆型压电粘滑驱动器利用杠杆放大时输出力方向与输入力方向平行的特点,不仅提高了驱动器的速度,并且使正、反向性能趋于相同。本文主要研究内容如下:首先,阐述了压电粘滑驱动器的基础理论,包括压电材料的基本知识、压电叠堆的内部结构组成和柔性铰链的应用。概述了压电材料的正、逆压电效应和柔性铰链的发展、分类及材质,并进行直圆型铰链仿真,为不同位置的铰链选择提供依据;建立柔性铰链基本的力学模型,给出了柔性铰链在不同方向力和力矩作用下柔度的计算,为驱动器的设计计算提供理论支撑。其次,基于铰链位移放大原理对压电粘滑驱动器进行结构设计,提出了三角型柔性铰链结构和杠杆型柔性铰链结构,并对设计的两个驱动器的组成和工作原理进行分析。为使驱动足在输出方向上实现最大位移,对两个结构的关键参数进行分析,以获得最佳尺寸。理论计算表明:设计的两个柔性铰链机构有效实现了对压电叠堆的位移放大,并且计算结果和仿真结果具有很好的一致性。最后,研制了三角型和杠杆型压电粘滑驱动器实验样机,搭建了测试系统进行实验研究。实验结果表明:三角型压电粘滑驱动器在锁紧力为2.5 N,最佳频率为610 Hz时,最大步进效率为97.9%,最大输出速度为20.17 mm/s;杠杆型压电粘滑驱动器在对称性为20%和80%,最佳驱动频率为480 Hz时,可实现的正向最大速度为7.69 mm/s,反向最大速度为7.12 mm/s,每10个周期位移相差8.80μm,与已有的双向运动的压电驱动器相比,正、反向位移差较小。