多自由度仿生压电精密驱动器设计分析与试验研究

【摘要】随着科学技术的迅猛发展，近年来具有微纳米级精度的超精密驱动定位技术在科学仪器、生命科学、信息通讯、精密光学、超精密加工等高科技领域逐渐占据了无法替代的重要作用，已成为当今世界高新技术领域的热门研究课题和关键核心技术之一。面向这些需求，具有精密驱动定位功能的各式各样新型驱动器被研制开发出来，相比于传统驱动器和其他类型的新式驱动器而言，压电驱动器具有结构紧凑、精度高、功耗低、噪声小、响应迅速、驱动力大和工作频率宽等诸多优点，这些优点使其十分适合在上述众多领域应用。结合国内外研究现状，针对压电精密驱动器已有研究涉及的多自由度驱动等方面的现存问题，本文提出了一种基于混合驱动机理的超精密多自由度压电驱动器方案，采用压电元件作为驱动源的核心，利用柔性铰链作为精密传动机构，实现高精度驱动定位，在此基础上对整个机构的工作原理进行了分析，建立了柔性铰链力学模型，为精密驱动器的优化提供了理论依据。为了保证在钳位机构的稳定性，在驱动器转子内部设计了平动柔性铰链，采用转子对称钳位方法实现钳位功能。利用扭转柔性铰链实现将压电元件的直线运动转为转子的旋转运动；利用平动柔性铰链将压电元件的直线运动转化为动子的轴向运动。在理论的基础上，研制了一种多自由度压电驱动器原型样机。该驱动器基于步进方式工作，定子上无钳位元件，可充分保证其结构紧凑小巧和加工精度，并可实现沿转子轴向的直线运动和360°连续转动；运用压电元器件和柔性铰链正推力与弹性回弹的作用，驱动器具有了输出正反向连续轴向直线运动和轴向旋转运动的功能。构建了驱动器性能测试的试验系统，对试验系统的工作原理进行了详细介绍。在此基础上，对驱动器旋转运动和直线运动的分辨率、运行速度、负载能力、运动稳定性以及定位精度分别进行了详细的试验测试。得到驱动器的主要性能指标为，旋转运动分辨率0.226μrad，旋转运动最大转速3521.7μrad/s，旋转运动承载能力0.294N·m，直线运动分辨率0.153μrad，直线运动最大运行速度105.31μm/s，直线运动承载能力4.9N·m。试验结果表明，本文提出的新型多自由度精密压电驱动器具有良好的定位分辨率、承载能力和工作稳定性。
【作者】曲涵；
【导师】闫纪旺；赵宏伟；
【作者基本信息】吉林大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】压电驱动；柔性铰链；尺蠖运动机理；精密定位；旋转驱动器；直线驱动器；

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