电热驱动微直线位移机构运动特性分析与试验研究

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1、中图分类号：TH132.2TH113.22单位代号：10280密级：学号：10820025博士学位论文SHANGHAIUNIVERSITYDOCTORLDISSERTATION题电热驱动微直线位移机构目运动特性分析与试验研究作者王振禄学科专业机械设计及理论导师陈晓阳教授沈雪瑾教授完成日期2015年1月上海大学本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合上海大学博士学位论文质量要求。答辩委员会签名：主任：委员：导师：答辩日期：I原创性声明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表

2、或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：导师签名：日期：II上海大学工学博士学位论文电热驱动微直线位移机构运动特性分析与试验研究姓名：王振禄导师：陈晓阳教授沈雪瑾教授学科专业：机械设计及理论上海大学机电工程与自动化学院2015年1月IIIADissertationSubmi

3、ttedtoShanghaiUniversityfortheDegreeofDoctorinEngineeringStudyontheMotionCharacteristicsofElectrothermalLinearMicroActuatorPhDCandidate：ZhenluWANGSupervisor：Prof.XiaoyangCHENProf.XuejinSHENMajor：MechanicalDesign&TheorySchoolofMechatronicalEngineeringandAutomation，ShanghaiUniv

4、ersityJanuary，2015IV上海大学博士学位论文摘要摘要微位移机构是微机电系统(MicroelectromechanicalSystem,MEMS)的重要组成部分，承担微系统中运动和力的传递功能。微位移机构以致动器为动力源，经微杠杆、微齿轮或微棘轮等组件实现运动或动力传递。线性微直线位移机构可将致动器产生的微位移累积放大后输出。本课题针对微位移机构，开展了微位移机构的驱动机理、实验测试、理论建模和性能分析等方面的研究工作。完成的主要研究内容和成果如下：建立了电热致动器的瞬态温度分析模型和力学模型，利用有限差分法计算了致动器的瞬态温度，

5、求解并实测了致动器在不同驱动条件下的输出位移，结果表明模型计算结果和实测结果一致。在充分了解MEMS加工方法和PolyMUMPs代工工艺特有设计方法的基础上，结合课题研究内容，设计了几类典型的摩擦式、啮合式微位移机构，并讨论了此类微机构设计时应重点考虑的相关问题和注意事项。建立了一套可行的微位移机构运动测试系统，通过对电热驱动摩擦式微位移机构的多次测试，获得了它们的相关运动参数。∏型约束和T型约束摩擦式微直线位移机构在不同驱动条件下实现了前推运动和后拉运动。频率对微直线位移机构的运动速度有影响，滑杆的速度随致动频率的增大而增大。设计制作的多种啮合

6、式微位移机构经试验测试表明部分实现了预定功能，但性能尚待提高。建立了摩擦式微直线位移机构的运动分析模型，推导出了致动单元和滑杆的运动表达式，全面分析了驱动头和滑杆的相对运动以及滑杆仅在一组致动器驱动下即可产生前推和后拉两个方向运动的机理，同时分析了驱动条件和结构参数对滑杆运动方向的影响。实测了滑杆在不同驱动频率下的前推和后拉位移，实测与理论结果一致。理论分析表明，不同结构参数的摩擦式微直线位移机构，通过调节驱动频率，可改变滑杆的运动方向，致动单元的刚度和质量直接影响滑杆的运动形式。理论分析和实验证明用一组驱动实现滑杆的双向运动是可行的。针对典型微

7、位移机构，从设计和使用两个方面分析了微位移机构的主要失效V上海大学博士学位论文摘要形式，设计阶段的失效主要来源于版图错误和违反设计规则而引起器件的功能失效，使用阶段的失效形式重点研究了致动器在交变温度载荷作用下的热疲劳失效。对微传动系统的设计提出了建议，并提出了改善微位移机构传动特性、提高其可靠性的措施。针对电热致动器在交流电作用下承受交变温度载荷而发生热疲劳失效的现象，分析了热疲劳失效机理。温度和应力计算表明，结构形式和施加的电压直接影响致动器的温度分布和应力大小，因最大应力小于屈服强度极限而不会发生应力引起的疲劳失效。测试了交流电作用下致动位

8、移和循环次数的关系，实验结果和理论计算表明：温度低于脆性-韧性转换温度，电热致动器不发生热疲劳失效，否则在长期循环后会发生热疲劳失效。3