基于三角放大箝位的壓電蠕動直線驅(qū)動器研究.pdf

1、蠕動式壓電驅(qū)動器具有驅(qū)動力大、速度低和定位精度較高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于微驅(qū)動平臺和掃描電鏡等設(shè)備中。隨著航天工程的快速發(fā)展，一些特殊功用的航天飛行器需要低速直線、無電磁干擾的驅(qū)動裝置。因此，蠕動式壓電驅(qū)動器滿足上述工作環(huán)境的要求。目前，蠕動式壓電驅(qū)動器多為通電箝位型，負(fù)載定位需保持通電狀態(tài)，而且現(xiàn)有的驅(qū)動電源體積和重量較大，使其在航天飛行器上的應(yīng)用受到限制。為減小驅(qū)動器重量和功耗，研制蠕動式斷電箝位直線壓電驅(qū)動器及其專用驅(qū)動電源對航天飛

2、行器中長期工作的設(shè)備具有重要的理論和實(shí)際意義。
　　本文基于蠕動式驅(qū)動原理，提出了一款蠕動式斷電箝位直線壓電驅(qū)動器及其設(shè)計(jì)原則，闡述了其工作原理，研制出驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，該驅(qū)動器主要由驅(qū)動箝位體、保持箝位體、驅(qū)動體和導(dǎo)軌等組成，其特征在于箝位體采用三角放大機(jī)構(gòu)，增加了箝位壓電疊堆的輸出位移，提高了對導(dǎo)軌的松開程度。基于能量法建立了驅(qū)動體和箝位體的固有頻率模型。提出了壓電疊堆主動彈簧模型，建立了驅(qū)動體和箝位體與壓電疊堆的動力耦合關(guān)系，揭示

3、了蠕動式壓電驅(qū)動器的驅(qū)動體和箝位體斷電過程的響應(yīng)速度低于驅(qū)動過程的響應(yīng)速度。
　　分別利用解析法和有限元計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下驅(qū)動體和箝位體的等效拉伸剛度和固有頻率，得出其變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了驅(qū)動器數(shù)學(xué)模型的可行性，得到了其適用范圍，并分析了數(shù)學(xué)模型和實(shí)體建模仿真存在差異的原因?；隍?qū)動器設(shè)計(jì)原則制定了驅(qū)動器設(shè)計(jì)流程，并利用數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)出原理樣機(jī)的合理結(jié)構(gòu)參數(shù)。利用有限元仿真分析，得到了在預(yù)緊力作用下箝位體的壓縮變形量，研究了箝

4、位體剛度平衡對箝位體輸出位移的影響，提出了剛度平衡的結(jié)構(gòu)方案，計(jì)算了平衡剛度值，制作驅(qū)動器原理樣機(jī)。
　　根據(jù)驅(qū)動器的工作原理和控制策略，研制了蠕動式壓電驅(qū)動器專用驅(qū)動電源，該電源主要由直流調(diào)壓電路、信號發(fā)生電路和斬波電路組成。直流調(diào)壓電路基于反激逆變電路實(shí)現(xiàn)了低壓直流至高壓直流的連續(xù)調(diào)節(jié)。信號發(fā)生電路利用單片機(jī)作為信號發(fā)生器，驅(qū)動半橋斬波電路對反激變換調(diào)壓電路輸出的直流電壓斬波。該驅(qū)動電源采用開關(guān)逆變集中變壓，每路信號單獨(dú)斬波的

5、控制方式，無需工頻變壓器，使電路簡化，具有體積小、質(zhì)量輕和效率高的優(yōu)點(diǎn)。
　　搭建了驅(qū)動器性能測試系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究了在箝位體剛度非平衡條件下和平衡條件下驅(qū)動器的性能，包括箝位力、空載特性和負(fù)載特性等，得出了預(yù)緊力對箝位力和驅(qū)動器性能的影響規(guī)律。在箝位體剛度不平衡時，其兩端預(yù)緊結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)位移較大，水平位移較小，箝位頭對導(dǎo)軌松開程度較低，驅(qū)動箝位體和保持箝位體間的剩余箝位力存在干涉效應(yīng)，使驅(qū)動器性能降低；當(dāng)剛度平衡時，箝位體兩端的水平位