多模式壓電直線電機的研究.pdf

1、精密驅(qū)動技術是集成光電子、精密制造、生物工程、航空航天等領域的重要支撐，對于促進多領域技術進步和技術革新具有的重大意義。隨著相關基礎條件的不斷改善，精密驅(qū)動技術已經(jīng)取得了長足進步，然而，相關領域的高速發(fā)展對精密驅(qū)動提出了越來越高的要求，對一些新興技術的充分利用成為發(fā)展精密驅(qū)動技術的重要途徑之一。壓電直線電機技術作為新興的精密驅(qū)動技術，因其短小輕薄的外形特征和易于集成等突出優(yōu)勢得到了包括德、日、美、以色列等發(fā)達國家在內(nèi)的強烈關注，有力地推

2、動了這些國家經(jīng)濟發(fā)展、促進了相關學科的進步和高端技術裝備的更新?lián)Q代。本研究旨在提升壓電直線電機在大行程下實現(xiàn)大推力、快速、精確穩(wěn)定作動的能力，為光通信、光學儀器、生物醫(yī)學儀器、核聚變等尖端技術領域研發(fā)專用壓電作動器，從結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計、分析方法，實驗表征等方面研究多模式壓電直線電機的關鍵技術，建立結(jié)構(gòu)設計、制造原則和系統(tǒng)控制理論和方法。
　　本項目在對壓電作動研究現(xiàn)狀進行詳細調(diào)查的基礎上展開，從壓電作動系統(tǒng)的基本理論出發(fā)，以共振式壓電

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

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

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

6、伺服差動箝位概念用于結(jié)構(gòu)設計中，制作的兩種壓電直線電機原理樣機在較大行程上表現(xiàn)出高的作動穩(wěn)定性和并可獲得較長使用壽命。
　　在上述兩類基于疊層壓電陶瓷的壓電直線電機研究基礎上，將兩個非共振式壓電直線電機的定子進行組合，提出了雙足交替驅(qū)動的多模式壓電直線電機并對其進行了系統(tǒng)的研究。該類多模式壓電直線電機不僅繼承了非共振壓電電機的作動能力，還可在交替工作模式下實現(xiàn)差動箝位，從而使雙驅(qū)動足交替作動，使電機兼具了大推力、高分辨率、穩(wěn)定、快