三足弯振复合型旋转压电驱动器的研究

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1、硕士学位论文三足弯振复合型旋转压电驱动器的研究(学术型)RESEARCHONTHREE-FEETROTARYPIEZOELECTRICACTUATORUSINGBENDINGHYBRIDVIBRATIONS于昭洋哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TP211学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工学硕士学位论文(学术型)三足弯振复合型旋转压电驱动器的研究硕士研究生：于昭洋导师：刘军考教授副导师：刘英想教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单

2、位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP211U.D.C:681.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONTHREE-FEETROTARYPIEZOELECTRICACTUATORUSINGBENDINGHYBRIDVIBRATIONSCandidate：ZhaoyangYuSupervisor：Prof.JunkaoLiuAssociateSupervisor：Prof.YingxiangLiuAcademicDegreeAppliedf

3、or：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要在设计仿人机器人的电机伺服系统时，对系统的电源供电方式、功率密度、可靠性、动态性能等都有很高的要求。目前常用的伺服系统多数以电磁电机作为关节驱动器，对于大转矩、

4、小质量和低转速等性能要求之间的矛盾性，电磁电机很难达到理想的要求。压电驱动器作为一种在致动原理和结构上有突破性进展的新型驱动元件，为机器人关节驱动器的选择上提供了更好的方案。减轻机器人质量、简化结构、提高响应速度等优点使压电驱动器受到广大学者的青睐。经过三十多年的研究，压电驱动技术得到了长足的发展。基于压电元件逆压电效应，压电驱动器将电能转换为机械能以激发出所预期的振动模态及相应的运动轨迹，进而通过摩擦耦合实现动子的致动。如今，压电驱动器已经根据其结构和机理上的区别分为多种类别。足式压电驱动器由于出力大、速度快的特点成为

5、机器人关节驱动系统很好的选择，并展现出了直接驱动方面的优势。因此，本文研究的压电驱动器采用足式驱动方式。此外，为了实现结构小型化的要求，本文中的压电驱动器采用贴片式结构，这种结构方式中的压电陶瓷利用d31工作模式在振子中激励出两个弯曲振动模态，经耦合实现驱动足的椭圆轨迹运动。三个沿周向均布的振子通过夹具固定在基座上，三个驱动足可确定一个驱动平面，保证在工作时不会产生悬空，使得驱动足与转子间实现了良好的接触，从而提高了驱动器的驱动效率。在理论分析的基础上，本文中首先对压电驱动器的单个弯振压电振子进行结构设计。在建立有限元模

6、型后，进行了模态分析和谐响应分析，经仿真得到了结构尺寸参数与驱动器的共振频率和机电耦合效率之间的关系，并通过得到的数据进行结构的尺寸优化。然后，通过瞬态分析以获得振子驱动足的运动轨迹，验证了压电驱动器工作原理的可行性。根据以上分析结果，设计了驱动器整体结构并研制了样机。实验过程中，首先测试各弯振压电振子的阻抗特性，得到各振子相应的阻抗特性曲线和等效电路的电学参数，由阻抗特性曲线获得弯振压电振子的谐振频率，计算电学参数对压电驱动器进行了阻抗匹配设计。然后用激光测振仪对压电振子进行了振动特性测试，由此得到了振子的谐振频率和相

7、应振型。测试了旋转压电驱动器的机械输出特性，得到压电驱动器的最大空载转速为53.3rpm，最大负载转矩为0.027N∙m。测试了单个振子的机械特性和温度-时间特性，其最-I-摘要大输出力可达29.3N，所驱动的导轨的最大线速度可达159.6mm/s，振子各部位温度在接入驱动信号后从26.7-27.1°C升高至32.3-36.3°C。关键词：压电驱动器；一阶弯振；贴片式结构；足式结构-II-AbstractAbstractInthedesignofhumanoidrobot,theelectricalmotorservos

8、ystemofitsjointhastherequirementsuchaslowloss,highpowerdensity,lightweight,singlepowersupply,highdynamicperformanceandhighreliability.Atpresent,mostoftherotary