發(fā)布時間：2020-11-19 05:03

　　 隨著精密加工與測量、光學(xué)工程、生物工程、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、航空航天等高尖端領(lǐng)域的迅速發(fā)展,傳統(tǒng)的微位移驅(qū)動器受工作原理和機械結(jié)構(gòu)的限制,造成其傳動效率低、輸出位移有限,精度不高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不易控制,無法滿足精密定位與驅(qū)動的要求。壓電尺蠖微驅(qū)動器是基于尺蠖運動原理實現(xiàn)雙向、大行程、高精度運動的精密微驅(qū)動器,廣泛應(yīng)用于上述領(lǐng)域。針對壓電尺蠖微驅(qū)動器存在的主要問題,本文基于柔順機構(gòu)設(shè)計了兩種微驅(qū)動器,并對其進行了性能優(yōu)化及相關(guān)性能測試實驗,主要內(nèi)容如下:針對尺蠖式直線微驅(qū)動器運動速度低和輸出力小等問題,基于柔順機構(gòu)設(shè)計了一種新型尺蠖式直線微驅(qū)動器。微驅(qū)動器由2個箝位機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、輸出軸組成,其運動特點是驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動箝位機構(gòu)進行往復(fù)直線運動,箝位機構(gòu)帶動輸出軸作直線運動。繪制了微驅(qū)動器的工作原理圖,并闡述了其運動原理。箝位機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)均采用柔性杠桿結(jié)構(gòu),保證了微驅(qū)動器所需的箝位力與驅(qū)動力,并提高了其運動速度。對微驅(qū)動器進行了詳細的理論推導(dǎo),采用偽剛體方法建立了驅(qū)動電壓與箝位力、驅(qū)動機構(gòu)輸入位移與輸出位移之間的關(guān)系,根據(jù)功能原理建立了輸入力與驅(qū)動力之間的關(guān)系。根據(jù)所設(shè)計的微驅(qū)動器制作了樣機,搭建了實驗測試系統(tǒng)進行性能測試,測試結(jié)果表明,微驅(qū)動器最大箝位力為216.43 N,最大驅(qū)動力為13.5 N,在驅(qū)動電壓120 V,驅(qū)動頻率95 Hz時,達到最大速度為48.91 mm/s。為了建立微驅(qū)動器的步距預(yù)測模型,實現(xiàn)微驅(qū)動器的精確控制,需要定量分析微驅(qū)動器的步距、驅(qū)動電壓、驅(qū)動頻率之間的關(guān)系。定量分析尺蠖式驅(qū)動器步距、驅(qū)動電壓、驅(qū)動頻率之間的關(guān)系就是確定三者之間的非線性映射關(guān)系,建立預(yù)測模型。采用非線性支持向量機回歸理論建立了微驅(qū)動器步距、驅(qū)動頻率、驅(qū)動電壓之間的關(guān)系模型。首先,采用實驗分析和理論推導(dǎo)對微驅(qū)動器的驅(qū)動信號的關(guān)鍵參數(shù)進行了優(yōu)化,并對矩形波驅(qū)動信號的波形進行了修正;其次,采用非線性支持向量機回歸理論,選擇高斯徑向基核函數(shù)建立了微驅(qū)動器步距預(yù)測理論模型;最后,搭建實驗測試系統(tǒng),對微驅(qū)動器步距回歸模型進行驗證。實驗結(jié)果表明,所建立的微驅(qū)動器步距回歸預(yù)測模型能精確的預(yù)測步距,實驗值與預(yù)測值之間的相對誤差范圍為0.275%-3.929%,誤差較小。尺蠖式微驅(qū)動器雖然可以實現(xiàn)大行程與高精度兼具的運動,但在實際使用中會出現(xiàn)以最小步距為尺度的波動問題影響其運動精度。為了進一步提高微驅(qū)動器的運動精度,在PID控制的基礎(chǔ)上,提出一種分段控制系統(tǒng)。所提出的分段控制系統(tǒng)由宏運動環(huán)節(jié)與微運動環(huán)節(jié)組成。在宏運動環(huán)節(jié)中,微驅(qū)動器按照尺蠖爬行的工作方式運動;在微運動環(huán)節(jié)中,微驅(qū)動器采用PID閉環(huán)控制逐漸接近目標(biāo)位置。建立了微驅(qū)動器的輸出模型,采用實驗方法對控制系統(tǒng)的參數(shù)進行辨識。利用宏微分段控制系統(tǒng)對尺蠖式微驅(qū)動器進行大行程、高精度的定位實驗,實驗結(jié)果表明,在驅(qū)動電壓40 V,頻率1 Hz下,微驅(qū)動器的定位誤差在0.53-0.67μm之間,說明所提出的分段控制方法能有效的提高尺蠖式微驅(qū)動器的運動精度。尺蠖式直線微驅(qū)動器只能實現(xiàn)連續(xù)的直線運動,但在工業(yè)中經(jīng)常需要大行程的旋轉(zhuǎn)運動,因此基于柔順機構(gòu)設(shè)計了一種新型尺蠖式旋轉(zhuǎn)微驅(qū)動器。微驅(qū)動器由2個箝位機構(gòu)、2個驅(qū)動機構(gòu)、輸出軸及支架組成,箝位機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)均采用柔性杠桿結(jié)構(gòu),具有無摩擦,免潤滑的優(yōu)點,且保證了微驅(qū)動器所需的箝位力與驅(qū)動力矩,并提高了其運動速度。采用虛功原理推導(dǎo)了箝位機構(gòu)放大倍數(shù)、靜剛度的計算公式,建立驅(qū)動機構(gòu)的偽剛體模型,并根據(jù)力矩平衡建立了驅(qū)動力矩與驅(qū)動電壓之間的關(guān)系。根據(jù)所設(shè)計的微驅(qū)動器制作了樣機,搭建了實驗測試系統(tǒng)進行性能測試,測試結(jié)果表明,所設(shè)計的微驅(qū)動器在驅(qū)動頻率5 Hz下,驅(qū)動電壓100 V時達到最大步距783.5608μrad;在30 V驅(qū)動電壓下,當(dāng)驅(qū)動頻率等于50 Hz時,達到最大轉(zhuǎn)速18.54 rad/s;實驗測得的最大驅(qū)動力矩為95.04 N?mm。所設(shè)計制作的微驅(qū)動器性能較好,對尺蠖微驅(qū)動器的發(fā)展具有一定的借鑒意義。
【學(xué)位單位】：江西理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH703
【部分圖文】：

第一章 緒論[20]。日本的指田年生（T.Sashida）[21]在超聲波驅(qū)動器的研究方面有較大的貢獻，他將駐波定點、定期推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動改進為行波多點變換、連續(xù)推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而研制成功的行波型超聲波驅(qū)動器，其工作原理如圖 1.1 所示，大大地降低了定子與轉(zhuǎn)子界面的磨損，為超聲波驅(qū)動器走向?qū)嵱没_辟了道路，此后許多新型的超聲波驅(qū)動器產(chǎn)品不斷地被研制出來。此外，日本佳能公司、尼康公司等也成功在其生產(chǎn)的各類照相機中采用超聲馬達用于光學(xué)防抖，如圖 1.2 所示。美國麻省理工學(xué)院與美國噴氣推進實驗室共同研發(fā)了雙齒面行波旋轉(zhuǎn)超聲壓電馬達，并成功應(yīng)用于火星探測器的姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)中，取得了令人滿意的效果[22]，如圖 1.3 所示。國內(nèi)對于壓電超聲波驅(qū)動器的研究起步于 90 年代初期，相關(guān)高校及研究單位，包括清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、天津大學(xué)等都對超聲壓電驅(qū)動技術(shù)進行了深入研究[23-26]，圖 1.4 所示是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)賀良國、劉永斌等人設(shè)計的同步箝位壓電馬達，該壓電馬達由一個諧振驅(qū)動振子和同步箝位開關(guān)構(gòu)成，結(jié)合超聲馬達的諧振驅(qū)動與尺蠖馬達的控制機理，使輸出組件沿導(dǎo)軌產(chǎn)生直線運動[27]。

第一章 緒論[20]。日本的指田年生（T.Sashida）[21]在超聲波驅(qū)動器的研究方面有較大的貢獻，他將駐波定點、定期推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動改進為行波多點變換、連續(xù)推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而研制成功的行波型超聲波驅(qū)動器，其工作原理如圖 1.1 所示，大大地降低了定子與轉(zhuǎn)子界面的磨損，為超聲波驅(qū)動器走向?qū)嵱没_辟了道路，此后許多新型的超聲波驅(qū)動器產(chǎn)品不斷地被研制出來。此外，日本佳能公司、尼康公司等也成功在其生產(chǎn)的各類照相機中采用超聲馬達用于光學(xué)防抖，如圖 1.2 所示。美國麻省理工學(xué)院與美國噴氣推進實驗室共同研發(fā)了雙齒面行波旋轉(zhuǎn)超聲壓電馬達，并成功應(yīng)用于火星探測器的姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)中，取得了令人滿意的效果[22]，如圖 1.3 所示。國內(nèi)對于壓電超聲波驅(qū)動器的研究起步于 90 年代初期，相關(guān)高校及研究單位，包括清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、天津大學(xué)等都對超聲壓電驅(qū)動技術(shù)進行了深入研究[23-26]，圖 1.4 所示是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)賀良國、劉永斌等人設(shè)計的同步箝位壓電馬達，該壓電馬達由一個諧振驅(qū)動振子和同步箝位開關(guān)構(gòu)成，結(jié)合超聲馬達的諧振驅(qū)動與尺蠖馬達的控制機理，使輸出組件沿導(dǎo)軌產(chǎn)生直線運動[27]。

究起步于 90 年代初期，相關(guān)高校及研究單位，包括清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、天津大學(xué)等都對超聲壓電驅(qū)動技術(shù)進行了深入研究[23-26]，圖 1.4 所示是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)賀良國、劉永斌等人設(shè)計的同步箝位壓電馬達，該壓電馬達由一個諧振驅(qū)動振子和同步箝位開關(guān)構(gòu)成，結(jié)合超聲馬達的諧振驅(qū)動與尺蠖馬達的控制機理，使輸出組件沿導(dǎo)軌產(chǎn)生直線運動[27]。圖 1.1 T. Sashida 行波超聲馬達原理 圖 1.2 佳能公司超聲馬達相機對焦系統(tǒng)
【參考文獻】

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本文編號：2889740