双自由度压电驱动器的设计分析与试验

• 作 者: 徐博文
• 出 处: 吉林大学
• 发表日期: 2020年08期
• 关键词: 精密仪器 压电叠堆 压电驱动 柔性铰链 双自由度

现如今,随着科学技术的发展,微观领域逐渐获得了人们的广泛关注,在航空航天领域、超精密机床、微小机器人、MEMS等前沿技术领域,微纳米驱动与定位成为了重中之重。但是,现有的传统的驱动装置无法跟上前沿科学领域的发展,面对前沿科学的快速发展,压电精密驱动技术与仿生驱动技术孕育而生。其中摩擦惯性驱动器和尺蠖型驱动器因为其行程大,机构紧凑,精度高等优点得到了显著发展,并应用于前沿科学中去。因此,设计一款精度高、大行程且驱动力大的驱动器则显得尤为重要。摩擦惯性驱动器与尺蠖型驱动器可以克服驱动器行程小、低分辨率等问题,故近年来得到了广泛的发展。但是却有驱动力小,自由度单一等问题,故本文在分析了国内外众多驱动器的优点与缺点后,综合了步进式驱动原理与柔性铰链等相关知识,提出了惯性摩擦与尺蠖驱动双结合的方式,利用了压电叠堆与柔性铰链放大机构,通过对驱动单元与钳位单元的控制,实现了直线与旋转双自由度的运动方式。于此同时,在现有的实验器材下,设计了一款多自由度的压电驱动器,并对结构进行了仿真与模态分析,确保了驱动器的可行性与实用性。此外,搭建了以此驱动器为核心的实验系统,主要包括了软件硬件部分,并完成所设计压电驱动器的性能测试与分析。提出摩擦副调整机构,保证了由于加工误差与装配误差引起的步进距离过小等问题。通过对驱动器进行测试,测得其旋转模块的分辨率为5.432μrad,有效驱动电压范围为10-150V,驱动频率的工作范围为1-200Hz,最大可接受的垂直负载为200g,最大步进角为1429.1μrad。测得其直线模块的分辨率为0.81μm,驱动电压为20-150V,驱动频率的工作范围为1-200Hz,最大可接受的垂直负载为500g,最大步进距离为20.08μm。实验结果与仿真分析表明,本文设计的双自由度压电驱动器能够满足自身强度与刚度要求,并在微纳米尺度上保持着高精度的直线与旋转的输出,解决了现有驱动器的低行程,驱动力小,分辨率低、自由度少、结构复杂等问题,直线与旋转单元模块可拆卸,保证了结构的紧凑型同时,可用于面对不同实验要求。通过实验结果表明,该驱动器超过了预期,同时为进一步优化创造了依据。本文研究的双自由度驱动器对于现有的压电驱动装置起到了推波助澜的作用,在确保了行程、分辨率、速度的同时,具备了价格低廉,极具性价比等优点,对驱动器的商业化起到了一定的积极作用,在满足于前沿科学研究的同时,对扩展驱动器的应用领域起到了推动作用。