基于柔性放大机构的谐振式压电惯性驱动直线马达研究

作者：石超

来源：精密仪器及机械, 硕士, 合肥工业大学, 2021.

DOI：10.27101/d.cnki.ghfgu.2021.001541

• 压电马达
• 冲击驱动
• 固有振动
• 惯性动子
• 柔性放大机构

谐振冲击式压电马达利用自身固有振动模态合成非对称周期振动,弥补传统冲击式压电马达的缺陷,实现功率驱动能力的大幅度提升。然而,要想将谐振马达具有特定频率和振幅比的几种固有振动模态匹配起来,却是十分困难的。本文设计、分析、测试了一种具有匹配振动模态的高性能谐振式压电惯性驱动直线马达,采用两个压电堆激励的柔性放大机构连接三个惯性质量块构成非对称结构,通过匹配反相、同相两种纵向固有振动模态合成近似锯齿波振动,从而实现谐振冲击驱动下的高功率输出能力。本论文主要研究内容和创新点如下:（1）基于波形合成理论和谐振冲击原理,提出惯性动子的非对称基本结构,建立惯性动子的运动学模型,分析固有振动特性和频率匹配方法;（2）基于惯性驱动机构和柔性放大机构,设计直线马达的机械结构,建立惯性动子的有限元仿真模型,匹配惯性动子的两个固有振动模态;（3）基于弹簧-质量系统和摩擦模型,构建直线马达的系统动力学方程组,建立Simulink数值仿真模型,分析惯性动子的振动特性和直线马达的运动特性;（4）制作原理样机并搭建实验平台,测试惯性动子的频率匹配过程和固有振动特性,测试、分析并比较原理样机谐振和步进驱动下的输出特性。实验结果表明:在40Vp-p、400Hz和19Vp-p、800Hz的正弦波电压的驱动下,样机拥有14.6mm/s的空载速度、350mN的失速力、1.02mW的最大输出功率;在10Vp-p、10Hz的锯齿波电压的驱动下,样机还可以提供分辨率为0.61μm的步进位移。实验结果验证了理论模型和动力学分析的有效性。本论文研究丰富了谐振冲击式压电马达的结构形式和分析方法,为该类压电马达的结构优化和性能提升提供了理论和技术支持。

• 单位
  合肥工业大学