多模式壓電直線電機(jī)的研究.pdf

1、精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)是集成光電子、精密制造、生物工程、航空航天等領(lǐng)域的重要支撐，對(duì)于促進(jìn)多領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)革新具有的重大意義。隨著相關(guān)基礎(chǔ)條件的不斷改善，精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，然而，相關(guān)領(lǐng)域的高速發(fā)展對(duì)精密驅(qū)動(dòng)提出了越來越高的要求，對(duì)一些新興技術(shù)的充分利用成為發(fā)展精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)的重要途徑之一。壓電直線電機(jī)技術(shù)作為新興的精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)，因其短小輕薄的外形特征和易于集成等突出優(yōu)勢(shì)得到了包括德、日、美、以色列等發(fā)達(dá)國(guó)家在內(nèi)的強(qiáng)烈關(guān)注，有力地推

2、動(dòng)了這些國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、促進(jìn)了相關(guān)學(xué)科的進(jìn)步和高端技術(shù)裝備的更新?lián)Q代。本研究旨在提升壓電直線電機(jī)在大行程下實(shí)現(xiàn)大推力、快速、精確穩(wěn)定作動(dòng)的能力，為光通信、光學(xué)儀器、生物醫(yī)學(xué)儀器、核聚變等尖端技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)專用壓電作動(dòng)器，從結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、分析方法，實(shí)驗(yàn)表征等方面研究多模式壓電直線電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造原則和系統(tǒng)控制理論和方法。
　　本項(xiàng)目在對(duì)壓電作動(dòng)研究現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上展開，從壓電作動(dòng)系統(tǒng)的基本理論出發(fā)，以共振式壓電

3、直線電機(jī)為切入點(diǎn)，針對(duì)大推力、小型化和高穩(wěn)定度的要求，提出了激勵(lì)耦合和激勵(lì)解耦的概念。通過三種新型結(jié)構(gòu)形式的共振式壓電直線電機(jī)的設(shè)計(jì)、制作和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，雖然共振的引入提高了壓電直線電機(jī)的能量利用率、降低了關(guān)鍵零部件的精度要求，但其輸入輸出間的強(qiáng)非線性和時(shí)變性給高精度平穩(wěn)控制帶來巨大困難，其中定位抖動(dòng)等現(xiàn)象的存在使壓電直線電機(jī)的高位移分辨率難以轉(zhuǎn)化為高定位精度。
　　針對(duì)共振式壓電直線電機(jī)穩(wěn)定度不高以及定位抖動(dòng)等問題，提出了非共振

4、作動(dòng)的概念，探索多工作模式對(duì)穩(wěn)定性和控制精度的作用。利用低電壓驅(qū)動(dòng)大位移輸出的疊層壓電陶瓷作為激勵(lì)元件，設(shè)計(jì)、制作了三種非共振式壓電直線電機(jī)，根據(jù)所用兩組疊層壓電陶瓷位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的不同可將其分為：正交耦合式、三角轉(zhuǎn)換式和機(jī)構(gòu)放大式；根據(jù)工作原理和性能要求建立了設(shè)計(jì)方法、制定了工藝要求。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，該類電機(jī)相對(duì)共振式作動(dòng)提高了作動(dòng)時(shí)的頻率穩(wěn)定性，降低了電機(jī)連續(xù)作動(dòng)模式下的控制難度；采用準(zhǔn)靜態(tài)作動(dòng)模式易于實(shí)現(xiàn)高分辨率定位，有效消除了共振電

5、機(jī)脈沖激勵(lì)方式實(shí)現(xiàn)高分辨率定位的抖動(dòng)現(xiàn)象。在開環(huán)電壓輸入時(shí)，定位分辨率優(yōu)于10nm；除了上述連續(xù)作動(dòng)模式和準(zhǔn)靜態(tài)模式外，該類電機(jī)還可工作在慣性作動(dòng)模式，與現(xiàn)有常接觸應(yīng)力慣性作動(dòng)不同，采用交變接觸應(yīng)力能夠減小因滑動(dòng)摩擦引起的損耗。
　　共振式和非共振式壓電直線電機(jī)區(qū)別在壓電振子的激勵(lì)方式和振動(dòng)狀態(tài)，而摩擦作動(dòng)機(jī)理相同，都采用了滑動(dòng)摩擦作為動(dòng)力；為提高壓電直線電機(jī)的輸出推力，提出了利用靜摩擦力作動(dòng)的兩種新型壓電直線電機(jī)，將所提出的彈簧

6、伺服差動(dòng)箝位概念用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，制作的兩種壓電直線電機(jī)原理樣機(jī)在較大行程上表現(xiàn)出高的作動(dòng)穩(wěn)定性和并可獲得較長(zhǎng)使用壽命。
　　在上述兩類基于疊層壓電陶瓷的壓電直線電機(jī)研究基礎(chǔ)上，將兩個(gè)非共振式壓電直線電機(jī)的定子進(jìn)行組合，提出了雙足交替驅(qū)動(dòng)的多模式壓電直線電機(jī)并對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。該類多模式壓電直線電機(jī)不僅繼承了非共振壓電電機(jī)的作動(dòng)能力，還可在交替工作模式下實(shí)現(xiàn)差動(dòng)箝位，從而使雙驅(qū)動(dòng)足交替作動(dòng)，使電機(jī)兼具了大推力、高分辨率、穩(wěn)定、快