發(fā)布時(shí)間：2020-11-19 05:03

　　 隨著精密加工與測(cè)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(dòng)器受工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制,造成其傳動(dòng)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(dòng)的要求。壓電尺蠖微驅(qū)動(dòng)器是基于尺蠖運(yùn)動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)雙向、大行程、高精度運(yùn)動(dòng)的精密微驅(qū)動(dòng)器,廣泛應(yīng)用于上述領(lǐng)域。針對(duì)壓電尺蠖微驅(qū)動(dòng)器存在的主要問題,本文基于柔順機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩種微驅(qū)動(dòng)器,并對(duì)其進(jìn)行了性能優(yōu)化及相關(guān)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn),主要內(nèi)容如下:針對(duì)尺蠖式直線微驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)速度低和輸出力小等問題,基于柔順機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型尺蠖式直線微驅(qū)動(dòng)器。微驅(qū)動(dòng)器由2個(gè)箝位機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、輸出軸組成,其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)箝位機(jī)構(gòu)進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),箝位機(jī)構(gòu)帶動(dòng)輸出軸作直線運(yùn)動(dòng)。繪制了微驅(qū)動(dòng)器的工作原理圖,并闡述了其運(yùn)動(dòng)原理。箝位機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用柔性杠桿結(jié)構(gòu),保證了微驅(qū)動(dòng)器所需的箝位力與驅(qū)動(dòng)力,并提高了其運(yùn)動(dòng)速度。對(duì)微驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了詳細(xì)的理論推導(dǎo),采用偽剛體方法建立了驅(qū)動(dòng)電壓與箝位力、驅(qū)動(dòng)機(jī)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(dòng)力之間的關(guān)系。根據(jù)所設(shè)計(jì)的微驅(qū)動(dòng)器制作了樣機(jī),搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,微驅(qū)動(dòng)器最大箝位力為216.43 N,最大驅(qū)動(dòng)力為13.5 N,在驅(qū)動(dòng)電壓120 V,驅(qū)動(dòng)頻率95 Hz時(shí),達(dá)到最大速度為48.91 mm/s。為了建立微驅(qū)動(dòng)器的步距預(yù)測(cè)模型,實(shí)現(xiàn)微驅(qū)動(dòng)器的精確控制,需要定量分析微驅(qū)動(dòng)器的步距、驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)頻率之間的關(guān)系。定量分析尺蠖式驅(qū)動(dòng)器步距、驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)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(cè)模型。采用非線性支持向量機(jī)回歸理論建立了微驅(qū)動(dòng)器步距、驅(qū)動(dòng)頻率、驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系模型。首先,采用實(shí)驗(yàn)分析和理論推導(dǎo)對(duì)微驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,并對(duì)矩形波驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形進(jìn)行了修正;其次,采用非線性支持向量機(jī)回歸理論,選擇高斯徑向基核函數(shù)建立了微驅(qū)動(dòng)器步距預(yù)測(cè)理論模型;最后,搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng),對(duì)微驅(qū)動(dòng)器步距回歸模型進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所建立的微驅(qū)動(dòng)器步距回歸預(yù)測(cè)模型能精確的預(yù)測(cè)步距,實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值之間的相對(duì)誤差范圍為0.275%-3.929%,誤差較小。尺蠖式微驅(qū)動(dòng)器雖然可以實(shí)現(xiàn)大行程與高精度兼具的運(yùn)動(dòng),但在實(shí)際使用中會(huì)出現(xiàn)以最小步距為尺度的波動(dòng)問題影響其運(yùn)動(dòng)精度。為了進(jìn)一步提高微驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)與微運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)組成。在宏運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)中,微驅(qū)動(dòng)器按照尺蠖爬行的工作方式運(yùn)動(dòng);在微運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)中,微驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的輸出模型,采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。利用宏微分段控制系統(tǒng)對(duì)尺蠖式微驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行大行程、高精度的定位實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在驅(qū)動(dòng)電壓40 V,頻率1 Hz下,微驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的運(yùn)動(dòng)精度。尺蠖式直線微驅(qū)動(dòng)器只能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的直線運(yùn)動(dòng),但在工業(yè)中經(jīng)常需要大行程的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),因此基于柔順機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型尺蠖式旋轉(zhuǎn)微驅(qū)動(dòng)器。微驅(qū)動(dòng)器由2個(gè)箝位機(jī)構(gòu)、2個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、輸出軸及支架組成,箝位機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用柔性杠桿結(jié)構(gòu),具有無摩擦,免潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn),且保證了微驅(qū)動(dòng)器所需的箝位力與驅(qū)動(dòng)力矩,并提高了其運(yùn)動(dòng)速度。采用虛功原理推導(dǎo)了箝位機(jī)構(gòu)放大倍數(shù)、靜剛度的計(jì)算公式,建立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的偽剛體模型,并根據(jù)力矩平衡建立了驅(qū)動(dòng)力矩與驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系。根據(jù)所設(shè)計(jì)的微驅(qū)動(dòng)器制作了樣機(jī),搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的微驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)頻率5 Hz下,驅(qū)動(dòng)電壓100 V時(shí)達(dá)到最大步距783.5608μrad;在30 V驅(qū)動(dòng)電壓下,當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率等于50 Hz時(shí),達(dá)到最大轉(zhuǎn)速18.54 rad/s;實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最大驅(qū)動(dòng)力矩為95.04 N?mm。所設(shè)計(jì)制作的微驅(qū)動(dòng)器性能較好,對(duì)尺蠖微驅(qū)動(dòng)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(jí)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(dòng)器的研究方面有較大的貢獻(xiàn)，他將駐波定點(diǎn)、定期推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)改進(jìn)為行波多點(diǎn)變換、連續(xù)推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而研制成功的行波型超聲波驅(qū)動(dòng)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(dòng)器走向?qū)嵱没�開辟了道路，此后許多新型的超聲波驅(qū)動(dòng)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(jī)中采用超聲馬達(dá)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(jìn)實(shí)驗(yàn)室共同研發(fā)了雙齒面行波旋轉(zhuǎn)超聲壓電馬達(dá)，并成功應(yīng)用于火星探測(cè)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(duì)于壓電超聲波驅(qū)動(dòng)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(duì)超聲壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)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(jì)的同步箝位壓電馬達(dá)，該壓電馬達(dá)由一個(gè)諧振驅(qū)動(dòng)振子和同步箝位開關(guān)構(gòu)成，結(jié)合超聲馬達(dá)的諧振驅(qū)動(dòng)與尺蠖馬達(dá)的控制機(jī)理，使輸出組件沿導(dǎo)軌產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)[27]。

第一章 緒論[20]。日本的指田年生（T.Sashida）[21]在超聲波驅(qū)動(dòng)器的研究方面有較大的貢獻(xiàn)，他將駐波定點(diǎn)、定期推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)改進(jìn)為行波多點(diǎn)變換、連續(xù)推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而研制成功的行波型超聲波驅(qū)動(dòng)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(dòng)器走向?qū)嵱没�開辟了道路，此后許多新型的超聲波驅(qū)動(dòng)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(jī)中采用超聲馬達(dá)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(jìn)實(shí)驗(yàn)室共同研發(fā)了雙齒面行波旋轉(zhuǎn)超聲壓電馬達(dá)，并成功應(yīng)用于火星探測(cè)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(duì)于壓電超聲波驅(qū)動(dòng)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(duì)超聲壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)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(jì)的同步箝位壓電馬達(dá)，該壓電馬達(dá)由一個(gè)諧振驅(qū)動(dòng)振子和同步箝位開關(guān)構(gòu)成，結(jié)合超聲馬達(dá)的諧振驅(qū)動(dòng)與尺蠖馬達(dá)的控制機(jī)理，使輸出組件沿導(dǎo)軌產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)[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(duì)超聲壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)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(jì)的同步箝位壓電馬達(dá)，該壓電馬達(dá)由一個(gè)諧振驅(qū)動(dòng)振子和同步箝位開關(guān)構(gòu)成，結(jié)合超聲馬達(dá)的諧振驅(qū)動(dòng)與尺蠖馬達(dá)的控制機(jī)理，使輸出組件沿導(dǎo)軌產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)[27]。圖 1.1 T. Sashida 行波超聲馬達(dá)原理 圖 1.2 佳能公司超聲馬達(dá)相機(jī)對(duì)焦系統(tǒng)
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2889740