【摘 要】
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随着半导体工业、光学工程、航空航天、超精密加工、生物医学等行业的迅猛发展,传统电磁式电机受制于工作原理以及结构形式,逐渐无法满足当前的高精密微纳米驱动工作要求,以压电驱动为代表的新型非电磁式微纳米精密驱动技术研究逐渐兴起。在各式新型微纳米驱动器中,压电驱动器因其高精度、快响应、高效率、电磁兼容、高稳定性、结构紧凑方便与传感器等实现闭环控制等明显优势,吸引国内外不少研究者投身压电电机研究队伍,其中基
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随着半导体工业、光学工程、航空航天、超精密加工、生物医学等行业的迅猛发展,传统电磁式电机受制于工作原理以及结构形式,逐渐无法满足当前的高精密微纳米驱动工作要求,以压电驱动为代表的新型非电磁式微纳米精密驱动技术研究逐渐兴起。在各式新型微纳米驱动器中,压电驱动器因其高精度、快响应、高效率、电磁兼容、高稳定性、结构紧凑方便与传感器等实现闭环控制等明显优势,吸引国内外不少研究者投身压电电机研究队伍,其中基于逆压电效应和惯性位移原理的惯性压电电机由于无需箝位机构、中间转换结构等,其在行程、分辨率、迟滞蠕变方面具有特别优势,成为高精度定位装置、医疗机械以及微型机器人等精密驱动领域的研发热点。已有的旋转惯性压电电机的设计多是采用导向轴式结构,该结构对输出轴和轴孔的配合精度要求高,也一定程度限制了旋转惯性压电电机的使用场景,因此本课题在已有旋转惯性压电电机的基础上,提出了一款无导向轴旋转惯性电机绕结构对称中心线旋转的设计方案。本课题的研究工作可分为以下几个部分:(1)介绍了压电电机的分类与特点以及惯性压电电机国内外的发展现状。结合已有惯性压电电机的设计方案情况,提出已有旋转惯性压电电机方案存在的部分不足,进而引出本课题的研究意义。(2)对压电驱动基础理论进行介绍,系统介绍了压电材料类型、压电效应、压电材料基本特性,分析了压电双晶片振子的结构形式、接线方法以及支撑方式,对选用的悬臂支撑方式的振动情况进行理论分析,为后续本课题惯性压电电机的设计提供理论基础。(3)在惯性压电运动机理的基础上,推出本课题旋转惯性压电电机的运动机理。对电机驱动的压电振子、惯性力矩、摩擦力矩要点进行理论分析,在以上原理分析与理论计算的指导上,设计出本课题的旋转惯性压电电机结构。(4)在实验前借助仿真软件对电机进行仿真分析,结合分析模态振型及幅频特性,得到适当的驱动工作振型与频率范围,瞬态分析的理论参考结果也进一步证实了设计的合理性和可行性,为下一步实验测量提供依据。(5)搭建实验平台进行测试,实验测试了旋转惯性压电电机的正反向运动曲线,运动曲线结果证明了本课题设计方案的确实可行,电机能够实现指定方向旋转运动存在驱动效果。同时运用控制变量法分别测试了电机旋转步长与电压、频率的关系,也测量了转速、旋转分辨率这些电机重要性能参数,本课题的成功设计为后续旋转惯性压电电机设计提供一种新的设计参考思路。
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