平面惯性压电叠堆移动机构的研究

论文摘要

精密定位技术是精密制造、精密测量和精密驱动中的关键技术之一。而惯性压电驱动器以其独特驱动方式和优势已经发展成为压电精密驱动领域的一个重要分支。本文在分析了目前国内外惯性压电驱动器研究现状的基础上,结合国家自然科学基金项目“新式微型惯性压电移动机构驱动理论及实验研究”（No.50475010）和国家自然科学基金重点项目“压电精密致动技术的基础研究”（No.50735002）,提出了通过机械方式控制压电驱动机构和支撑面之间正压力的有序变化,形成有规律运动的新型平面惯性压电驱动器装置的研究方案。本文采用理论研究、计算仿真和试验研究相结合的方法,对压电叠堆静、动态特性,迟滞非线性建模技术、惯性-摩擦理论,平面惯性压电移动机构设计和建模以及多自由度惯性移动机构耦合和稳态误差控制技术进行了研究,研究工作内容涉及压电学、机械学、电学、振动分析、摩擦学、力学等多方面知识。建立了压电叠堆有限元模型,对压电叠堆静、动力学特性进行了分析,在分析压电叠堆迟滞非线性的基础上,重点研究了Preisach建模技术及Preisach建模过程,探讨了三种摩擦模型,结合Leuven模型和Bouc-Wen模型建立了简单惯性压电驱动机构的动力学模型,分析了运动特性和摩擦磁滞特性。设计、制作了平面直线惯性压电移动机构,建立了移动机构的动力学模型,并进行了Matlab动力学仿真分析,系统地研究了移动机构的静、动态特性;同时对其进行了系统的试验研究,得到了移动机构的性能曲线,针对该移动机构的不足,提出了基于V型导轨惯性移动机构的改进方案,试验结果表明改进后的移动机构性能得到提高。设计、制作了平面惯性压电旋转机构,结合前文分析的摩擦模型建立了旋转机构的动力学模型,对该旋转机构进行了仿真和试验对比分析,试验证明该模型的正确性。同时分析了影响该旋转机构运动性能的因素,提出了改进措施。基于惯性驱动新机理设计,研制了平面3自由度压电移动机构,建立了动力学模型,系统的对该移动机构进行了仿真和试验研究。针对该移动机构直线、旋转的耦合现象,提出了基于LabVIEW虚拟仪器编程的控制策略。采用LabVIEW虚拟仪器编程作为开发平台,结合实验室现有的仪器设备,初步构建了平面惯性压电移动机构的闭环控制系统。试验表明,该闭环控制系统提高了定位精度,减小了滞环的影响。本课题的研究工作,将为压电移动机构的研究提供新的思路、开辟新的途径,为微小型移动机械、机器人的移动机构等方面的研究工作提供新的借鉴。

论文目录

• 提要
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源和研究意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究背景
• 1.2 压电驱动机构的研究现状
• 1.2.1 压电超声波驱动器
• 1.2.2 压电直动式驱动器
• 1.2.3 压电步进驱动器
• 1.2.4 压电惯性式驱动器
• 1.3 压电驱动机构研究中存在的问题及发展趋势
• 1.3.1 存在问题
• 1.3.2 发展趋势
• 1.4 本文选题的意义和研究内容
• 1.4.1 选题意义
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 平面惯性压电移动机构关键技术分析
• 2.1 压电效应与压电方程
• 2.1.1 压电效应/逆压电效应
• 2.1.2 压电元件的工作模式
• 2.1.3 压电方程
• 2.2 压电叠堆
• 2.2.1 压电叠堆的工作原理
• 2.2.2 压电叠堆的电机械模型
• 2.2.3 压电叠堆的有限元分析
• 2.2.4 压电叠堆惯性动力学特性分析
• 2.2.5 压电叠堆迟滞非线性研究
• 2.2.6 基于Preisach 模型的压电叠堆滞回特性分析
• 2.3 惯性驱动-摩擦基本理论
• 2.3.1 摩擦模型的特性
• 2.3.2 惯性移动机构运动仿真分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 平面直线惯性压电叠堆移动机构设计及实验研究
• 3.1 平面直线惯性压电叠堆移动机构的运动机理
• 3.1.1 惯性压电移动机构运动机理
• 3.1.2 平面惯性压电叠堆移动机构运动机理
• 3.1.3 平面惯性压电叠堆移动机构运动条件分析
• 3.2 平面惯性压电叠堆移动机构的动力学建模
• 3.3 平面惯性压电叠堆移动机构的 Matlab 动力学仿真分析
• 3.3.1 平面惯性压电叠堆移动机构阶跃响应
• 3.3.2 平面惯性压电叠堆移动机构频率响应特性
• 3.3.3 平面惯性压电叠堆移动机构输出位移、速度特性
• 3.3.4 平面惯性压电叠堆移动机构摩擦阻力
• 3.4 平面惯性压电叠堆移动机构实验研究
• 3.4.1 平面直线惯性压电叠堆移动机构实验样机
• 3.4.2 测试系统的组成及测试方法
• 3.4.3 平面直线惯性压电叠堆移动机构能测试
• 3.4.4 平面直线惯性压电叠堆移动机构正、反向运动速度曲线
• 3.4.5 平面直线惯性压电叠堆移动机构速度和电压、频率之间的关系
• 3.4.6 平面直线惯性压电叠堆移动机构步长与电压、频率的关系
• 3.4.7 平面直线惯性压电叠堆移动机构承载性能测试
• 3.4.8 平面直线惯性压电叠堆移动机构线性偏差测试
• 3.5 基于90·V 型导轨平面直线惯性压电叠堆移动机构实验研究
• 3.5.1 V 型导轨
• 3.5.2 基于90·V 型导轨移动机构的结构设计
• 3.5.3 基于90·V 型导轨移动机构的频率、电压与步长关系
• 3.5.4 基于90·V 型导轨移动机构的频率、电压－速度关系
• 3.5.5 基于90·V 型导轨移动机构直线性误差测试
• 3.6 本章小结
• 第4章 平面惯性压电叠堆旋转机构设计及实验研究
• 4.1 平面惯性压电叠堆旋转机构结构设计及理论分析
• 4.1.1 平面惯性压电叠堆旋转机构结构设计
• 4.1.2 平面惯性压电叠堆旋转机构理论分析
• 4.2 平面惯性压电叠堆旋转机构动力学模型
• 4.2.1 平面惯性压电叠堆旋转机构状态方程
• 4.2.2 平面惯性压电叠堆旋转机构动力学仿真时摩擦的处理
• 4.3 平面惯性压电叠堆旋转机构试验与仿真对比研究
• 4.3.1 旋转机构结构参数
• 4.3.2 旋转机构运动性能
• 4.3.3 旋转机构的旋转步长与电压、频率的关系
• 4.3.4 驱动机构转速实验测试
• 4.3.5 转子径向跳动
• 4.4 驱动叠堆角度可调式惯性旋转机构的研究
• 4.4.1 驱动叠堆角度可调式旋转移动机构结构设计
• 4.4.2 驱动叠堆角度可调式旋转机构试验样机及测试系统
• 4.4.3 改进的旋转机构步长与压电叠堆电压、频率的关系
• 4.4.4 改进的旋转机构角速度与压电叠堆电压的关系
• 4.4.5 改进的旋转机构不同斜面角度与旋转运动步长、速度的关系
• 4.4.6 改进的旋转机构转子径向跳动
• 4.4.7 改进的旋转移动机构连续工作的稳定性
• 4.4.8 改进的旋转移动机构转子不同位置启动的运转状况
• 4.5 影响平面惯性压电叠堆旋转机构精度的因素分析
• 4.5.1 加工精度误差
• 4.5.2 安装误差
• 4.5.3 测量误差
• 4.5.4 环境带来的误差
• 4.5.5 驱动误差
• 4.6 本章小节
• 第5章 平面3 自由度惯性压电叠堆移动机构研究
• 5.1 平面3 自由度惯性压电移动机构结构及工作原理
• 5.1.1 平面3 自由度惯性压电移动机构结构设计
• 5.1.2 平面3 自由度惯性压电移动机构的运动实现
• 5.2 平面3 自由度惯性压电移动机构的动力学模型
• 5.2.1 平面3 自由度惯性压电移动机构水平方向动力学模型
• 5.2.2 平面3 自由度惯性压电移动机构垂直方向动力学模型
• 5.2.3 平面3 自由度惯性压电移动机构底面摩擦力（矩）模型
• 5.2.4 平面3 自由度惯性压电移动机构动力学仿真模型
• 5.3 平面3 自由度惯性压电移动机构仿真分析
• 5.3.1 平面3 自由度惯性压电移动机构的运动情况仿真
• 5.3.2 平面3 自由度惯性压电移动机构步长与驱动电压间的关系
• 5.3.3 平面3 自由度惯性压电移动机构步长与摩擦系数间的关系
• 5.3.4 平面3 自由度惯性压电移动机构步长与载荷关系
• 5.4 平面3 自由度惯性压电移动机构的试验研究
• 5.4.1 平面3 自由度惯性压电移动机构样机结构及参数
• 5.4.2 平面3 自由度惯性压电移动机构运动性能测试
• 5.4.3 平面3 自由度惯性压电移动机构运动步长与接触面间摩擦系数关系
• 5.4.4 平面3 自由度惯性压电移动机构运动步长与承载能力间关系
• 5.4.5 平面3 自由度惯性压电移动机构步长与电压、频率的关系
• 5.4.6 平面3 自由度惯性压电移动机构运动速度及干涉误差分析
• 5.5 输出耦合控制系统的组成
• 5.5.1 输出耦合控制系统的硬件组成
• 5.5.2 输出耦合控制系统的工作原理
• 5.6 平移/旋转干涉误差闭环控制系统
• 5.6.1 平移/旋转干涉误差闭环控制原理
• 5.6.2 基于LabVIEW 的定位停止控制系统的编译
• 5.6.3 平移/旋转干涉误差闭环控制系统实验分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 平面惯性压电叠堆移动机构控制系统研究
• 6.1 输入整形技术研究
• 6.1.1 输入整形器基本概念
• 6.1.2 基于零极点对消法的输入整形器的分析与设计
• 6.2 平面惯性压电叠堆移动机构残余振荡消除
• 6.2.1 平面惯性移动机构模型建立
• 6.2.2 基于输入整形技术的平面惯性移动机构残余振荡消除
• 6.3 平面惯性移动机构前馈开环控制技术研究
• 6.3.1 简单定位开环控制
• 6.3.2 双前馈开环定位控制
• 6.4 平面惯性移动基都混合闭环控制技术研究
• 6.4.1 混合控制器结构
• 6.4.2 平面惯性移动机构闭环精度控制
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论及展望
• 7.1 研究总结
• 7.2 研究创新
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的学术论文
• 攻读博士期间申请的国家专利
• 攻读博士期间参加的科研项目
• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT