彎振復(fù)合型壓電驅(qū)動(dòng)器的激勵(lì)方法與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、壓電驅(qū)動(dòng)器以其能量密度大、定位精度高、響應(yīng)速度快、電磁兼容性好等優(yōu)點(diǎn)可以應(yīng)用到航天、精密機(jī)械等一些具有特殊要求的場(chǎng)合。在多種類型的壓電驅(qū)動(dòng)器中，彎振復(fù)合型壓電驅(qū)動(dòng)器通過(guò)將相互正交的彎振模態(tài)進(jìn)行合理的組合，避免了模態(tài)特征頻率簡(jiǎn)并帶來(lái)的眾多問(wèn)題。為了使彎振復(fù)合型壓電驅(qū)動(dòng)器具備更高的機(jī)電耦合效率和更好的機(jī)械輸出特性，本文以其激勵(lì)方法為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了五種不同激勵(lì)方法下的彎振復(fù)合型壓電驅(qū)動(dòng)器，來(lái)對(duì)比分析哪種激勵(lì)方法可以使彎振復(fù)合型壓電驅(qū)動(dòng)器具有更

2、優(yōu)良的特性。
　　本文首先確定了彎振復(fù)合型壓電驅(qū)動(dòng)器的新構(gòu)型，該構(gòu)型采用壓電陶瓷夾心式結(jié)構(gòu)，利用壓電陶瓷的d33工作模式以提高機(jī)電耦合效率，其橫截面形狀均為圓形，可以保證兩正交的同階彎振模態(tài)特征頻率的一致。接著，分析了彎振復(fù)合型壓電驅(qū)動(dòng)器的致動(dòng)原理，推導(dǎo)出了驅(qū)動(dòng)足處質(zhì)點(diǎn)的橢圓軌跡，并確立了該構(gòu)型驅(qū)動(dòng)器的五種激勵(lì)方法，分別為半片壓電陶瓷激勵(lì)、整片兩極化分區(qū)陶瓷單電極激勵(lì)、整片兩極化分區(qū)陶瓷雙電極激勵(lì)、整片四極化分區(qū)陶瓷雙電極激勵(lì)和整

3、片四極化分區(qū)陶瓷四電極激勵(lì)。然后根據(jù)彎振復(fù)合型壓電驅(qū)動(dòng)器的工作性能需求確定了各部分的材料。最后建立了彎振復(fù)合型壓電驅(qū)動(dòng)器的等效電路模型，并對(duì)其導(dǎo)納圓進(jìn)行了推導(dǎo)和參數(shù)分析，得出了等效電路模型參數(shù)的計(jì)算公式，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)部分提供了理論指導(dǎo)。
　　在理論分析的基礎(chǔ)上，本文利用ANSYS軟件對(duì)五種激勵(lì)方法下的彎振復(fù)合型壓電驅(qū)動(dòng)器建立了有限元參數(shù)化模型，利用模態(tài)分析得到了所需的二階彎振模態(tài)，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)使其特征頻率達(dá)到35kHz左右，確定出

4、了最終的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并驗(yàn)證了該對(duì)稱結(jié)構(gòu)使得水平和豎直方向上二階彎振模態(tài)的特征頻率一致，也驗(yàn)證了固定座與法蘭之間的薄壁環(huán)可以大大減少法蘭的夾持對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器特征頻率和振動(dòng)模態(tài)的影響。接著進(jìn)行了諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)分析，分別得到了五種激勵(lì)方法下彎振復(fù)合型壓電驅(qū)動(dòng)器的機(jī)電耦合效率和驅(qū)動(dòng)足質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡。最后研究了整片壓電陶瓷中未極化區(qū)域?qū)挾葘?duì)彎振復(fù)合型壓電驅(qū)動(dòng)器特征頻率、機(jī)電耦合效率和驅(qū)動(dòng)足質(zhì)點(diǎn)振幅的影響。仿真結(jié)果表明：整片四極化分區(qū)陶瓷激勵(lì)的方法為

5、最優(yōu)。
　　根據(jù)仿真中確定好的結(jié)構(gòu)參數(shù)研制出了五個(gè)不同激勵(lì)方法下的彎振復(fù)合型壓電驅(qū)動(dòng)器，五個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器具有一致的外形尺寸，利用阻抗分析儀對(duì)它們進(jìn)行了阻抗特性測(cè)試，測(cè)量出各自的阻抗頻率曲線和導(dǎo)納圓，得到了等效電路模型參數(shù)值，并進(jìn)行了阻抗匹配；利用激光測(cè)振儀對(duì)它們進(jìn)行了模態(tài)振型測(cè)試，得到了各自在水平方向和豎直方向上的振速響應(yīng)曲線和所需的二階彎振模態(tài)，以及共振頻率；進(jìn)行了熱耦合特性測(cè)試，得到了空載運(yùn)行時(shí)的溫升特性，運(yùn)行溫度對(duì)各自驅(qū)動(dòng)足振