检索结果-南通市图书馆

作者：刘宇杭州电子科技大学

学位级别：硕士

压电粘滑驱动器以其具有的体积小、重量轻、无电磁干扰等优点,广泛应用于航空航天、医学工程、微型机械制造、半导体制造等领域,传统的压电粘滑驱动器由于存在回退现象,严重影响了其输出性能和定位精度。为降低压电粘滑驱动器的回退率,... 详细信息

压电粘滑驱动器以其具有的体积小、重量轻、无电磁干扰等优点,广泛应用于航空航天、医学工程、微型机械制造、半导体制造等领域,传统的压电粘滑驱动器由于存在回退现象,严重影响了其输出性能和定位精度。为降低压电粘滑驱动器的回退率,提高输出性能,分析了正反方向摩擦力、驱动频率、单步位移以及激励信号上升和下降的作用时间对驱动器运动回退的影响,设计了一种变摩擦力式多级位移放大压电粘滑驱动器,通过动态改变定子与动子之间正压力来调控摩擦力,有效地增大其单步输出位移,实现压电粘滑驱动器平滑稳定的运动输出。具体研究内容如下:（1）运用动量定理分析粘滑驱动原理,得出产生位移回退的主要因素,将非对称式结构引入到定子结构设计中,设计了一种变摩擦力式一级位移放大压电粘滑驱动器。利用柔性铰链计算公式计算驱动器的输出位移,并采用有限元静力学仿真对比分析定子核心结构尺寸对输出位移以及等效应力的影响,结果表明:当定子结构中斜边与水平轴夹角为70°时,驱动器具有较大的输出位移,并满足材料的许用应力,验证了该结构设计的可行性,从而确定了该结构的最终模型尺寸。（2）为探究不同激励信号上升和下降的作用时间对运动回退的影响,搭建了驱动器性能测试平台,对变摩擦力式一级位移放大压电粘滑驱动器进行性能输出测试,包括样机在不同激励信号、激励电压、频率和预紧力下的输出情况,以及在低频和低压下的运动回退率、分辨率测试。实验结果表明:该驱动器最佳工作频率为750Hz,最大输出速度可达到16.31mm/s。在占空比为90%的锯齿波激励信号下,驱动电压和频率分别为100 V和150 Hz时,抑制回退率可达到98.94%;驱动电压小于100V、驱动频率小于150 Hz时,抑制回退效果较差,研究表明,通过同时调节正反方向动摩擦力大小和作用时间无法完全抑制一级位移放大压电粘滑驱动器回退。（3）将多级位移放大机构引入到变摩擦力式压电粘滑驱动器设计中,设计了二级、三级位移放大的变摩擦力式压电粘滑驱动器。通过卡氏第二定理和有限元静力学仿真对新设计的驱动器定子结构核心尺寸进行优化,确定整体尺寸;构建了驱动器整体装置的动力学模型,对驱动装置在不同电压下和不同位移放大倍率下进行动态分析,探究了激励电压和不同位移放大倍率对驱动系统最终位移输出的影响,验证了变摩擦力式多级位移放大压电粘滑驱动器完全抑制回退的能力。（4）在同一实验条件下对二级、三级位移放大的变摩擦力式压电粘滑驱动器输出性能进行测试,并进行对比。实验结果表明:增大单步位移提高了二级、三级位移放大的变摩擦力式压电粘滑驱动器的输出速度,在驱动电压为100 V时最大输出速度分别为25.22 mm/s和49.54 mm/s,相比于变摩擦力式一级位移放大压电粘滑驱动器,二级、三级位移放大的变摩擦力式压电粘滑驱动器在抑制回退效果上有着显著地提升,在驱动电压和频率分别为100V和100 Hz就能达到100%抑制回退效果。

关键词：压电粘滑驱动回退运动动力学建模结构优化多级位移放大

惯性块辅助式压电粘滑平顺驱动机理与实验研究

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惯性块辅助式压电粘滑平顺驱动机理与实验研究

作者：乔广达长春工业大学

学位级别：硕士

压电粘滑驱动器具有毫秒内的快速响应、纳米级的定位精度、结构简单、断电自锁、不受电磁干扰等优点,已成为精密驱动领域的主流技术之一。然而,滑阶段的摩擦力会使驱动器的性能严重劣化,导致位移回退、速度波动等瓶颈问题。为解决上述问... 详细信息

压电粘滑驱动器具有毫秒内的快速响应、纳米级的定位精度、结构简单、断电自锁、不受电磁干扰等优点,已成为精密驱动领域的主流技术之一。然而,滑阶段的摩擦力会使驱动器的性能严重劣化,导致位移回退、速度波动等瓶颈问题。为解决上述问题,本文提出了惯性块辅助式压电粘滑驱动器的设计思想。利用惯性块在非对称激励下产生不同的惯性,从而动态地改变定子与动子之间的正压力以实现摩擦力的动态调控;在滑阶段驱动足可以产生远离动子的偏转,进而消除正压力,使作用在动子上摩擦力的冲量几乎为零,实现了压电粘滑驱动器的平顺驱动。首先,本文阐述了压电粘滑驱动基础理论,包括对压电效应、压电材料的发展以及压电堆叠的组成进行了介绍;同时,对压电粘滑驱动的工作原理进行了分析。此外,概述了柔性铰链的分类,并介绍了直圆、直梁型柔性铰链的计算方法。其次,提出了旋转型与直线型惯性块辅助式压电粘滑驱动器,并对驱动器的工作原理进行了分析。采用伪刚体法建立了驱动器动力学模型,并推导出定子与动子之间正压力与压电元件在非对称激励下的数学表达式,揭示了惯性块辅助式压电粘滑平顺驱动实现机理。继而对定子进行了有限元仿真分析以指导结构的参数化设计,基于MATLAB/Simulink搭建了考虑正压力动态变化的动力学模型,仿真得到了从位移回退到位移突进的单步位移特性,验证了设计方案的可行性。最后,研制了旋转型及直线型惯性块辅助式压电粘滑平顺驱动器样机并搭建了实验系统,实验研究表明,所研制的旋转及直线型驱动器位移曲线的线性拟合相关系数R均可达到0.9999。其中,旋转型驱动器在2.0 kg负载下的位移曲线仍表现出良好的平顺性,R为0.9998;在100 V,700 Hz的激励下,驱动器的速度为231320μrad/s;分辨力为1.56μrad。直线型驱动器的最大速度为101.76 mm/s;即使在低电压(5 V)和低频率(10 Hz)下,R也可以达到0.9991;此外,驱动器在PID闭环控制系统下可实现27 nm的定位精度。本文提出了正压力动态调节的设计思想;通过将惯性块与柔性铰链机构进行解耦,研制了直线型与旋转型驱动器,仅通过激励单个压电元件实现了压电粘滑驱动器在低电压、低频、高频、重载不同工况下的平顺驱动。

关键词：压电粘滑驱动惯性块结构柔性铰链位移回退抑制平顺驱动

高效重载压电粘滑驱动平台解耦设计与试验研究

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高效重载压电粘滑驱动平台解耦设计与试验研究

作者：于洋长春工业大学

学位级别：硕士

压电粘滑驱动平台因具有定位精度高、响应速度快以及无电磁干扰等显著优势,在超精密加工、半导体制造以及精密光学系统等领域展现出了良好的科学意义和广泛的应用前景。然而,当前压电粘滑驱动平台带载后,输出性能急剧下降,甚至无法工作... 详细信息

压电粘滑驱动平台因具有定位精度高、响应速度快以及无电磁干扰等显著优势,在超精密加工、半导体制造以及精密光学系统等领域展现出了良好的科学意义和广泛的应用前景。然而,当前压电粘滑驱动平台带载后,输出性能急剧下降,甚至无法工作,成为制约压电粘滑驱动平台进一步发展的瓶颈问题。针对上述问题,本文通过引入承载单元,将压电粘滑驱动平台的驱动单元与运动单元进行解耦设计,使得负载直接作用于承载单元,而驱动单元与运动单元间保持几乎恒定的摩擦力,实现了压电粘滑驱动平台的高效重载驱动,有效提升了压电粘滑驱动平台重载下的整机输出性能。本文介绍了压电粘滑驱动的基础理论,其中包括压电效应以及压电材料的发展过程,同时对压电堆叠的组成以及在锯齿波驱动下的响应速率进行了分析。通过分析当前杆式压电粘滑驱动平台的设计思想以及工作原理,将压电堆叠等效成弹簧阻尼系统,将驱动单元与运动单元进行等效代替,建立了压电粘滑驱动平台空载下以及带载下的动力学模型,分析了空载下和带载下其数学模型的差异,得出了压电粘滑驱动平台在带载下输出性能骤降的主要原因,提出了通过引入承载单元,将驱动平台的驱动单元以及运动单元进行解耦的设计思想,以解决当前压电粘滑驱动平台输出性能差甚至无法工作的瓶颈问题。基于上述设计思想,本文分别设计了杆式直线型高效重载压电驱动平台以及铰链旋转型高效重载压电粘滑驱动平台,并对两平台的组成和工作原理进行了详细的阐述,分析了压电驱动平台产生“粘”运动状态和“滑”运动状态的临界条件,给出了压电驱动平台产生运动的必要条件。同时对设计的结构进行了仿真分析,验证了方案设计的可行性,研制了相应的直线型和旋转型高效重载压电粘滑驱动平台实物样机。为了验证设计思想的可行性,分别搭建了直线型和旋转型高效重载压电粘滑驱动平台测试系统,开展了整机输出特性测试。测试结果表明,直线平台的负载能力大于10 kg,开环条件下样机的双向最小分辨率分别为30 nm和33 nm。同时,在宏微控制方法下,样机在空载以及10 kg负载下均可实现70 nm的定位精度。旋转平台的负载能力大于1 kg,样机在驱动电压为100 V,驱动频率为30 Hz的信号驱动下,其转速可达5232.5μrad/s,同时样机在开环条件下的分辨率可达1.7μrad。本课题所提出的高效重载设计思想,通过引入承载单元,同时将压电粘滑驱动平台的驱动单元与运动单元进行解耦,有效的提升了压电粘滑驱动平台的承载能力,为压电粘滑驱动平台的设计与制造提供了一定的指导。

关键词：压电粘滑驱动压电平台压电堆叠解耦设计高效重载

基于铰链位移放大原理的直线压电粘滑驱动器研究

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基于铰链位移放大原理的直线压电粘滑驱动器研究

作者：李义康长春工业大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：压电粘滑驱动双向驱动三角放大杠杆放大柔性铰链

基于非对称柔性铰链的压电粘滑驱动器机理与实验研究

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基于非对称柔性铰链的压电粘滑驱动器机理与实验研究

作者：何猛长春工业大学

学位级别：硕士

压电粘滑驱动技术因具有定位精度高、行程大、无电磁干扰等特点,在精密光学系统、微/纳米制造、生物医疗工程等领域展现出重要的科学意义和广泛的应用前景。然而,已有压电粘滑驱动器较难实现对缓慢与快速变形驱动阶段摩擦力进行综合调控... 详细信息

压电粘滑驱动技术因具有定位精度高、行程大、无电磁干扰等特点,在精密光学系统、微/纳米制造、生物医疗工程等领域展现出重要的科学意义和广泛的应用前景。然而,已有压电粘滑驱动器较难实现对缓慢与快速变形驱动阶段摩擦力进行综合调控,限制了其输出性能,成为制约压电粘滑驱动技术发展的瓶颈问题。本文将非对称柔性铰链机构引入定子结构设计,使得定子轴向刚度分布不均,激发定子驱动足产生侧向位移实现驱动,并调整定子与动子间的轴向接触正压力,实现对缓慢与快速变形驱动阶段摩擦力的综合调控,提升压电粘滑驱动器的整机输出力与速度能力。阐述了压电粘滑驱动的基础理论,包括压电效应、压电叠堆以及常见柔性铰链的分类,分析了直圆型柔性铰链的计算方法,通过采用降维法(MDR)将定子与动子之间的三维接触问题精确地转化为一维接触,可以快速计算接触和摩擦问题的仿真,并基于MDR方法建立了驱动器在水平力和轴向力的表达式的理论模型。开展了压电粘滑驱动器原理样机的结构设计,以柔性铰链机构驱动足产生的最大侧向位移为设计目标的研究,分析了非对称柔性铰链驱动足的合理位置,并通过静力学分析得到了最终的结构尺寸;分析了接触过程中的粘滑接触状态以及两者之间正压力的变化情况。研制了压电粘滑驱动器实物样机,样机主要由定子、导轨、底座和预紧机构组成,其中核心部件定子主要由非对称柔性铰链机构、压电叠堆、平垫片和预紧螺钉组成。本文研制的非对称压电粘滑驱动器的总体结构尺寸为179 mm×75 mm×37.5 mm。通过搭建测试系统,开展了整机输出特性的实验研究。实验结果表明,非对称压电粘滑驱动器的最佳工作频率为500 Hz,最大输出速度可达5.96 mm/s,开环条件下最小位移分辨率为50 nm,最大负载为3 N。此外基于MDR方法建立了驱动器整机动力学模型,测试了驱动器在水平和轴向方向上的振动幅值,并对比分析了采用MDR方法的仿真结果与实验测试结果,验证了MDR方法对于压电粘滑驱动器的动力学模型建立的可行性。本文采用非对称柔性铰链机构与压电叠堆相结合的形式进行摩擦力调控,扩宽了压电粘滑驱动器的结构形式,为非对称类型粘滑驱动器的设计与制造提供了一定的指导,该研究可为提高压电粘滑驱动输出性能的研究提供理论与实验基础。

关键词：压电粘滑驱动压电叠堆非对称柔性铰链侧向位移降维法

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铰链式压电粘滑双向致动机理与实验研究

铰链式压电粘滑双向致动机理与实验研究

作者：高琪长春工业大学

学位级别：硕士

压电粘滑驱动技术是微纳加工、半导体制造、精密光学等领域的主要支撑技术,具有定位精度高、行程大及无电磁干扰等特点。当前压电粘滑驱动器极少能够实现驱动过程中对摩擦力的综合调控,这使得驱动器存在大行程、高精度与高负载等性能难... 详细信息

压电粘滑驱动技术是微纳加工、半导体制造、精密光学等领域的主要支撑技术,具有定位精度高、行程大及无电磁干扰等特点。当前压电粘滑驱动器极少能够实现驱动过程中对摩擦力的综合调控,这使得驱动器存在大行程、高精度与高负载等性能难以同时兼顾的问题;少数可以实现摩擦力综合调控的驱动器也由于结构限制,难以进行双向驱动,从而极大的限制了压电驱动器的应用范围。本文针对以上问题设计出一种厚度非对称型柔性铰链机构,以此与压电堆叠相结合开发出铰链厚度非对称式压电粘滑驱动器。驱动器定子轴向刚度非对称,从而产生侧向位移进行驱动,提升了样机整体输出性能;在此基础上为使驱动器能够实现双向运动,设计出局部为轴向刚度非对称但整体又为对称结构定子,从而使得驱动器具有双向运动特性并具有良好的双向驱动一致性。本文首先阐述了压电粘滑驱动的基础理论,并介绍了柔性铰链的分类及直圆型柔性铰链激励变形计算方法;利用降维法(MDR)建立定子驱动端与动子间摩擦特性的数学模型,分析了非对称压电粘滑驱动摩擦力调控规律。继而通过有限元仿真分析方法,以获取最大侧向位移为设计目标,兼顾结构强度与精度,设计出合理的厚度非对称型铰链结构。提取关键的几何结构参数,分析相关参数对柔性铰链机构驱动端最大侧向位移、结构强度之间的关系,采用伪刚体法对柔性铰链机构进行力学特性分析,揭示了厚度非对称型柔性铰链机构输出端位移输出轨迹规律,分别研制了单向驱动及双向驱动两种压电粘滑驱动器实物样机。最后搭建了整机测试系统并进行了相应的实验测试。其中单向驱动器最大输出速度为15.04 mm/s,最大效率为3.66%,有效的提升了压电驱动器的整体输出性能。双向驱动器在x轴正反方向的最大输出速度分别为10.14 mm/s和9.99 mm/s,正反向输出性能一致性十分良好。进而计算出不同实验条件下驱动端的运动轨迹特性,仿真结果与实验数据一致性良好,验证了MDR方法应用于粘滑驱动器的可行性。本文提出了柔性铰链厚度非对称的设计思想,设计的厚度非对称型驱动器与双向驱动器拓宽了压电粘滑驱动器的结构形式,该研究可为提高压电粘滑驱动输出特性与应用范围的研究提供理论与实验基础。

关键词：压电粘滑驱动柔性铰链侧向位移双向驱动 MDR降维法