粘滑式惯性压电精密驱动器设计分析与试验研究

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1、粘滑式惯性压电精密驱动器设计分析与试验研究DesignandExperimentalResearchofanInertialPiezoelectricPrecisionActuatorbyMeansofStick-slipMotion作者姓名：邵明坤专业名称：机械制造及其自动化研究方向：压电精密驱动指导教师：赵宏伟教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年5月30日本文工作得到下列项目资助1..国家重大科学仪器设备开发专项任务课题“材料力学性能原位测试仪器与软件系统的研制开发（2012YQ03007501）”，2012.10-2016.102.国家高技术研究发展计划

2、(863)重大项目课题“跨尺度原位力学测试新技术与仪器装备的开发制造（2012AA041206）”，2011.12-2015.123.国家自然科学基金项目“接近服役条件下材料微观力学性能原位测试新技术的研究（51275198）”，2013.1-2016.124.国家自然科学基金优秀青年基金“材料微观力学性能原位测试技术与应用（51422503）”，2015.1-2017.125.国家自然科学基金项目“超声悬浮减摩技术提高惯性摩擦式驱动器性能的机理与控制技术研究（51105163）”，2012.01-2014.12摘要粘滑式惯性压电精密驱动器设计分析与试验研究随着现代

3、科学技术的迅猛发展，微纳加工、微纳操作、精密光学、生物医学工程、航空航天等诸多前沿高科技领域发生了日新月异的变化。这些领域不断进步的同时，对其核心支撑技术——超精密驱动技术提出了更高更新的要求，如超高精度、大行程、强承载能力和轻量化等。世界各国科技工作者积极致力于新型精密驱动器件的设计与研制中，以满足前沿领域对高性能能精密驱动器件的需求。目前，如雨后春笋般出现的各类新型精密驱动器，极大地推动了精密驱动技术的发展，其中基于粘滑惯性驱动原理的压电驱动器由于结构紧凑、行程大、运动精度高、性能稳定可靠等优点受到了国内外学者广泛关注，表现出良好的应用前景。本文系统地分析了精密

4、驱动领域国内外的发展现状，归纳总结了各类精密驱动器的优势、不足以及适用场合。在此基础上，着眼于惯性式压电驱动器的现存不足，如压电驱动中迟滞、蠕变等非线性因素导致的运动不平稳、低定位精度，开环式步进驱动存在的系统误差等，开展了较为系统地分析，设计一种新型粘滑式惯性压电精密驱动器。该粘滑式惯性压电精密驱动器基于压电驱动与柔性铰链传动技术，并在步进式工作模式基础上有效结合PID闭环控制理论进行扫描式精密微调微动，不仅大幅提高了驱动器的运动行程，同时还有力的保证了驱动器的运动定位精度与驱动效率。文中设计的粘滑式惯性压电精密驱动器基于压电驱动与柔性铰链传动技术，主要包括作为驱

5、动源的叠堆型压电陶瓷和作为动力传动、位移放大机构的“桥式”柔性铰链。为深入分析驱动器核心部件与整机的动力学性能：利用Simulink仿真软件对叠堆型压电陶瓷的数学模型进行了动力学仿真分析；利用ABAQUS仿真软件对“桥式”柔性铰链的强度、刚度、模态阵型等方面进行了有限元分析计算；建立了驱动器整机数学模型，并推导了其动力学运动方程。为改善以往惯性式压电驱动器由于迟滞、蠕变以及开环控制系统存在的运动稳定性较差、定位精度较低等不足，本文设计的粘滑式惯性压电驱动器采用步进式工作模式（step-typemode）和扫描式工作模式（scan-typemode）两种方式结合驱动。

6、步进式粗调节工作模式实现驱动器的快速初步定位，扫描式精密驱动方式微调微动实现驱动器的最终精密定位，二者共同控制粘滑式惯性压电驱动器精密1定位，不仅大幅提高了驱动器的运动行程，还有力的保证了驱动器的运动定位精度与驱动效率。其中在扫描式工作模式中添加的PID闭环自动控制模块，极大地提升了惯性式驱动器的运动定位精度。文中简要介绍了整个闭环控制系统的组成以及各个模块功能，并利用LabVIEW图像化设计语言（G语言）编写了驱动器整体闭环控制系统程序。通过对粘滑式惯性压电驱动器进行闭环自动控制试验，得到了驱动器的运动定位精度e=±10nm，说明了该惯性式压电驱动器的驱动定位精度

7、性能优越，完全符合设计要求。为进一步分析粘滑式惯性压电驱动器步进式工作模式运动的重要动力学性能，本文在惯性式压电驱动器工作运动原理与机械动力学仿真的理论基础上，试制了粘滑式惯性精密压电驱动器的试验样机，搭建了整套试验测试系统，对其机械输出性能进行系统地试验与研究。试验获得了步进式工作模式（stick-slip）下的相关动力学性能指标：如步长与电压的关系、步长与频率的关系、步长与负载的关系、步进驱动器稳定性、往复运动精度等。粘滑式惯性压电驱动器有效工作电压为70-100V，有效工作频率为1-550Hz，稳定承载能力为0-5N，最大牵引力1.58N，最大承载力50N