基于压电-电磁混合驱动的二自由度驱动器运动性能分析与研究

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在科学研究和工业中,对具有大工作行程和微/纳米级定位分辨率的精密定位系统有很大的需求。压电驱动器具有结构简单紧凑、设计灵活多变、易于小型化、响应速度快、惯性小、能够断电自锁、抗电磁干扰和分辨精度高的特性,适合在低速大转矩的场景工作,因此在精密加工、医疗器械、航空航天和生物科学等领域拥有广泛的前景。压电驱动器可以从工作模式上划分为谐振式和非谐振式。谐振式压电驱动器对驱动频率要求很高,容易因震动、温度等因素导致工作频率的偏移,进而影响驱动性能。非谐振式压电驱动器则不用考虑共振的问题,且定位精度要通常高于谐振式,能够达到纳米级精度,但其负载能力和驱动性能略显不足。从驱动方式可分为多自由度型和单自由度型,多自由度驱动器往往结构紧凑,但需多个压电驱动单元进行配合,因此结构相对复杂,操控不易。单自由度驱动器结构上相对简单,设计灵活多变,但在系统精度和动态性能上略显不足。本文基于单自由度非谐振式驱动器,为了克服单个压电元件在工作行程中以非共振模式工作的不足,提出一种基于柔性铰链机构的粘滑型直线压电驱动器。该压电驱动器采用一种二级铰链放大结构,能够有效的放大压电元件的输出位移。驱动器作用在动子上的横向推力以及纵向夹紧力都得到了明显提升,改善了传统直线压电驱动器夹紧力不足和承载力不足的问题。并且通过有限元分析对理论分析的结论加以验证,针对分析结果与理论结果之间所产生的误差,对柔性铰链结构中影响性能输出的关键参数进行优化,最终确立了所建模型的尺寸。通过有限元模态分析对高频范围内各阶模态的振型进行分析,结果表明,在频率3.206 k Hz下压电驱动器的振动情况较好,能够作为一个在高频区域中的工作频率。随着机器人技术、智能柔性系统的发展,对多自由度运动的应用场景越来越多。由于所提出的压电驱动器为单自由度直线型,为了提高驱动器自由度以适应更多场景,对所提出的压电驱动器加以改进,提出了一种基于压电驱动与电磁驱动相耦合的二自由度混合驱动器。与二自由度电磁驱动器相比,该驱动器提高了位移分辨率,同时也提高了控制精度。优化了启动和制动性能,提高了驱动器的响应速度。与二自由度压电驱动器相比,该驱动器可以减少振动的影响,提高输出速度。混合驱动器由压电部分和电磁部分组成,两部分由轴承装置连接,并在一桶状结构进行封装。由于压电驱动器工作时不产生磁场且不受外界电磁干扰,因此与电磁驱动器共同工作时能够互不影响。首先对结构的稳定性进行分析,并提出一种用于改进后压电驱动器的控制方法,以提升其驱动性能。为了在尺寸上配合压电驱动器,需对电磁驱动器的结构进行设计,并分析电磁驱动器的磁场特性。最后通过搭建性能测试平台,对驱动器的可行性及驱动性能进行测试。在振幅150V、频率3.25k Hz的电压激励下,驱动器对动子最大驱动速度可达348mm/s。在振幅100V、频率550Hz的电压激励下,驱动器能够对动子进行稳定的输出,驱动速度能够稳定在3.4mm/s。驱动器所产生最大的负载能力为3kg,驱动器驱动转子产生的最大扭矩为2.9N·m,最大转速为9r/s。该驱动器良好的驱动表现为后续的研究奠定了基础。
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