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步进型旋转压电驱动器的研究

作　者: 陈磊
导　师: 朱剑英
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 压电叠堆 柔性铰链 精密驱动 压电驱动 步进
分类号: TH703.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


在MEMS和NMES领域中,为了实现微小零件地加工、装配和成品检查,迫切需要可以实现高精度微动操作的驱动器。为了实现这个目的,本文以压电叠堆为动力元件,以步进型运动原理来设计新型的压电旋转驱动器。分析比较了目前精密驱动器的类型,选择压电驱动器来进行精密驱动系统的设计。通过对压电驱动器的各种驱动方式的比较,根据设计的要求,选择步进型工作原理进行设计。对国内外的步进型压电驱动器的研究进展进行了介绍和总结,提出设计步进型旋转驱动器。通过对压电陶瓷性质、特性及其应用的研究,对各种类型的压电陶瓷驱动器进行了比较,提出使用压电叠堆来作为驱动元件。对压电叠堆的迟滞性、蠕变特性、位移性能和力学性能,动态特性等进行了分析。采用PI公司的P-885.10和P-885.50压电叠堆作为驱动元件,并通过实验对其位移特性及其迟滞特性进行了分析,根据实验结果,两种压电叠堆可以达到6.5μm和15μm的标定位移。分析了柔性铰链的各种常见形式,列出了它们转动刚度的计算公式,并对其中各参数的影响通过MATLAB编程进行比较,根据分析结果,决定在Scott-Russell机构中采用直圆柔性铰链,在驱动机构动子和转子部分的连接处采用直角形柔性铰链。设计旋转驱动器的驱动机构和箝位机构部分,通过ANSYS软件分析它们的静态输出位移,应力分布,振动模态和相对应的固有频率。对驱动机构中的Scott-Russell机构进行了刚度计算,并通过正交试验进行优化设计。分别对驱动机构和箝位机构进行了试验,测试它们的实际性能。实验证明,驱动机构在输出端Y轴方向位移可以达到5.22μm ,与软件分析结果较为一致。箝位机构部分可以产生110μm的位移,满足箝位机构的状态变化需要。分析精密旋转驱动器整体控制时序部分的设计,并进行优化,编写VC程序实现三路时序信号的控制。步进型压电旋转驱动器采用PCI-6722模拟输出卡作为信号的输出源,以及PI公司的E-501.00型LVPZT电压放大器来实现电压的放大控制,通过对驱动器的实验,表明可以得到较高的位移精度,在电压100V,信号频率4Hz的工作条件下,步进角位移约为8.3μr ad。通过总结和展望,为后续的深入研究打下了一定的基础。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-13
第一章 绪论  13-24
  1.1 引言  13-14
  1.2 精密驱动器的类型和特点  14-18
    1.2.1 精密驱动器的分类和比较  14-15
    1.2.2 压电驱动器的驱动方式分类  15-18
  1.3 压电步进型驱动器的研究背景和研究进展  18-23
    1.3.1 步进型驱动器研究背景  18-19
    1.3.2 国外研究现状  19-21
    1.3.3 国内研究现状  21-23
  1.4 本文的主要研究内容  23-24
第二章 压电元件基础理论和特性  24-39
  2.1 压电陶瓷  24-28
    2.1.1 压电陶瓷概述  24-25
    2.1.2 正压电效应和逆压电效应  25
    2.1.3 压电关系式和参数  25-27
    2.1.4 压电陶瓷的特性  27
    2.1.5 压电陶瓷的应用  27-28
  2.2 压电叠堆  28-35
    2.2.1 压电陶瓷驱动器  28-29
    2.2.2 压电叠堆驱动器  29-30
    2.2.3 压电叠堆的性质  30-35
  2.3 本文选用的压电叠堆  35-38
  2.4 本章小结  38-39
第三章 柔性铰链的设计与分析  39-48
  3.1 柔性铰链的简介  39
  3.2 柔性铰链的分类  39-40
  3.3 单轴柔性铰链的刚度计算  40-44
  3.4 单轴柔性铰链的比较与分析  44-47
  3.5 本章小结  47-48
第四章 步进型压电旋转驱动器的设计  48-69
  4.1 引言  48
  4.2 压电驱动器的结构设计  48-50
  4.3 驱动机构设计  50-60
    4.3.1 驱动机构的结构设计  50
    4.3.2 SCOTT-RUSSELL机构  50-53
    4.3.3 驱动机构的优化设计  53-56
    4.3.4 SCOTT-RUSSELL机构应用和刚度计算  56-58
    4.3.5 驱动机构的有限元分析和试验  58-60
  4.4 箝位机构设计  60-63
    4.4.1 桥式柔性铰链机构  60-61
    4.4.2 箝位机构设计和有限元分析  61-62
    4.4.3 箝位机构的实验性能  62-63
  4.5 驱动器的控制  63-67
    4.5.1 波形生成器  63-64
    4.5.2 驱动电源  64
    4.5.3 控制时序信号关系和优化  64-67
  4.6 压电旋转精密驱动器实验研究  67-68
  4.7 本章小节  68-69
第五章 结论与展望  69-70
参考文献  70-74
致谢  74-75
在学期间的研究成果及发表的学术论文  75

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 一般性问题 > 结构 > 微动装置
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