摩擦驅(qū)動(dòng)型非共振壓電疊層直線電機(jī)的研究.pdf

1、直線壓電電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)境適應(yīng)性好、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)在微納機(jī)電系統(tǒng)、航空航天、機(jī)器人等裝備上展現(xiàn)了廣闊的發(fā)展前景。歐美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的直線壓電電機(jī)已經(jīng)開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化，并有成熟產(chǎn)品用于火星探測(cè)、光學(xué)聚焦、生物醫(yī)學(xué)等高新科技領(lǐng)域，但其核心技術(shù)處于嚴(yán)格保密狀態(tài)。
　　針對(duì)新興領(lǐng)域?qū)Υ笮谐?、高精密?qū)動(dòng)技術(shù)的迫切需求，自主研發(fā)穩(wěn)定性好、大行程和高精度的直線壓電電機(jī)，對(duì)打破國(guó)外技術(shù)封鎖，促進(jìn)我國(guó)新興技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。直線電機(jī)可分為

2、共振型和非共振型，共振型直線壓電電機(jī)的穩(wěn)定性差，對(duì)加工精度要求也十分苛刻，迄今為止，尚不能解決大行程與高精度定位的穩(wěn)定性問(wèn)題，且分辨率不高、速度可控性較差。為提高大行程直線電機(jī)的位移分辨率和運(yùn)行穩(wěn)定性，本課題利用壓電疊層具有輸出力大、位移重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)，在非共振狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)了高精度的摩擦驅(qū)動(dòng)。
　　本文主要內(nèi)容包括：
　　1、分析現(xiàn)有直線超聲電機(jī)和非共振直線壓電電機(jī)的各自優(yōu)勢(shì)和存在的不足，指出了深入進(jìn)行直線超聲電機(jī)研究的必要性

3、。通過(guò)分析壓電疊層的電學(xué)特性和機(jī)械特性，對(duì)壓電疊層作動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究，為壓電疊層作動(dòng)系統(tǒng)的柔性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
　　2、結(jié)合超聲電機(jī)的摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)理和現(xiàn)有的非共振壓電電機(jī)技術(shù)，提出了利用柔性三角位移轉(zhuǎn)化原理實(shí)現(xiàn)直線壓電電機(jī)的非共振摩擦驅(qū)動(dòng)技術(shù)。參照超聲電機(jī)橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡生成方法，研究了非共振柔性定子驅(qū)動(dòng)足橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡的形成理論和該類型電機(jī)的工作原理。提出具有雙向柔性的電機(jī)定子結(jié)構(gòu)和具有理想單自由度的定子夾持機(jī)構(gòu)。通過(guò)設(shè)計(jì)、制作

4、樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，形成柔性定子摩擦驅(qū)動(dòng)型壓電疊層直線電機(jī)定子及其總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：柔性定子摩擦驅(qū)動(dòng)型直線壓電電機(jī)能夠在1kHz范圍內(nèi)運(yùn)行，且穩(wěn)定性好，但其輸出力不大。
　　3、為彌補(bǔ)柔性定子所引起的電機(jī)推力較小的不足，提出壓電疊層作動(dòng)系統(tǒng)的“三明治”剛度結(jié)構(gòu)，構(gòu)建具有剛性定子結(jié)構(gòu)的非共振摩擦驅(qū)動(dòng)直線壓電電機(jī)。通過(guò)研究剛性定子驅(qū)動(dòng)足端部橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡的形成理論，獲得該類型電機(jī)的速度特性。建立了電機(jī)定子的振動(dòng)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)

5、電機(jī)定子進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析，建立非共振型直線壓電電機(jī)的縱向振幅與其推力特性的關(guān)系。通過(guò)設(shè)計(jì)、制作樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，總結(jié)剛性定子摩擦驅(qū)動(dòng)型壓電疊層直線電機(jī)總體及其定子的設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：剛性定子摩擦驅(qū)動(dòng)型直線電機(jī)能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行平穩(wěn)，該類型電機(jī)速度與激勵(lì)頻率、激勵(lì)電壓近似成線性關(guān)系。與柔性定子結(jié)構(gòu)相比，該類型電機(jī)的輸出力提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　4、分析非共振直線壓電電機(jī)實(shí)現(xiàn)摩擦驅(qū)動(dòng)的理想模型，提出利用壓電疊層作動(dòng)系

6、統(tǒng)在非共振狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡的兩種方式。建立電機(jī)系統(tǒng)的縱向振動(dòng)模型，分析了非共振摩擦驅(qū)動(dòng)型電機(jī)的振動(dòng)脫離特性。針對(duì)非共振直線壓電電機(jī)定、動(dòng)子間的間歇接觸特性，對(duì)電機(jī)定、動(dòng)子接觸界面進(jìn)行研究，建立基于庫(kù)侖摩擦模型的非共振接觸動(dòng)力學(xué)分析模型，用于研究電機(jī)穩(wěn)態(tài)輸出特性的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所建模型能夠反映電機(jī)運(yùn)行特性的總體趨勢(shì)，有助于電機(jī)性能的預(yù)測(cè)和優(yōu)化。
　　5、在摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上提出差動(dòng)摩擦驅(qū)動(dòng)原理、結(jié)構(gòu)形式和電激勵(lì)方式

7、。對(duì)差動(dòng)摩擦型壓電疊層直線電機(jī)的工作機(jī)理進(jìn)行研究，分析影響差動(dòng)摩擦性能的主要因素，揭示了頻率和預(yù)壓力對(duì)差動(dòng)摩擦驅(qū)動(dòng)性能的影響規(guī)律。研究恒壓力差和變壓力差兩種情況下電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性，提出差動(dòng)摩擦非共振直線壓電電機(jī)在不同頻域內(nèi)的三種運(yùn)行模式。研究結(jié)果表明：該型電機(jī)能夠在更低頻率（20Hz）下穩(wěn)定運(yùn)行；在中、高頻域內(nèi)其開(kāi)環(huán)分辨率為微米級(jí)，在低頻域內(nèi)開(kāi)環(huán)分辨率可達(dá)納米級(jí)。
　　總之，本課題提出的摩擦驅(qū)動(dòng)型壓電疊層直線電機(jī)對(duì)定子的加工精度要求