非對稱慣性壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)-方案調(diào)研和分

1、目 錄1. 方案調(diào)研與分析 1.1 精密驅(qū)動器的類型和特點(diǎn) 1.2 壓電驅(qū)動器的驅(qū)動方式分類 1.3 慣性式壓電驅(qū)動器的研究背景和本設(shè)計(jì)方案的技術(shù)選擇2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)原理、組成結(jié)構(gòu) 2.2 系統(tǒng)工作流程 3. 系統(tǒng)精度及誤差分析 3.1 系統(tǒng)誤差源 3.2 誤差補(bǔ)充措施 4. 課題分工： 4.1 蘇君梓（ 精24 學(xué)號2012010595）負(fù)責(zé)方案調(diào)研與分析 4.2 4.3 4.4 4.5 非對稱夾持式慣性壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 盧悅越 蘇君梓 李天龍 閆石 1. 方案調(diào)研與分析1.1 精密驅(qū)動器的類型和特點(diǎn) 1.1.1 精密驅(qū)動器的分類和比較近年來，隨著微納米技術(shù)的迅猛發(fā)展，在超

2、精密加工、精密器件微制造、精密測量、航天等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域都迫切需要精密驅(qū)動機(jī)構(gòu)。精密驅(qū)動系統(tǒng)是指位移靈敏度高和精確度好的機(jī)構(gòu)。完整的精密驅(qū)動系統(tǒng)包括精密驅(qū)動器、 控制系統(tǒng)和檢測裝置三個部分。在精密驅(qū)動系統(tǒng)中，驅(qū)動器是必需的重要部件，驅(qū)動器的性能直接影響精密驅(qū)動系統(tǒng)的性能。根據(jù)微位移的原理，驅(qū)動器可分成兩大類：機(jī)械式和機(jī)電式。要實(shí)現(xiàn)亞微米甚至納米級的定位,常規(guī)的驅(qū)動和傳動方式將不再適合。比如,通常為了實(shí)現(xiàn)精密定位，往往采用伺服電機(jī)驅(qū)動和精密絲杠傳動的方案，然而由于螺紋空程和傳動摩擦的存在, 其定位精度一般只能達(dá)到微米級。所以，機(jī)械式的驅(qū)動原理很難達(dá)到所需要的納米級精度。機(jī)電式驅(qū)動器的研究一直引起國

3、內(nèi)外科技界的重視，幾十年來己經(jīng)開發(fā)出多種驅(qū)動器，歸納起來基本可以分為：電磁式驅(qū)動器（旋轉(zhuǎn)式交、直流電動機(jī)，直線電動機(jī)，步進(jìn)電動機(jī)等）、 氣壓、液壓驅(qū)動器、特殊型驅(qū)動器（超聲波、橡膠、超導(dǎo)、形狀記憶合金、金屬氫、靜電、壓電等）。幾種典型的驅(qū)動器及其優(yōu)缺點(diǎn)如表1.1所示：表1.1幾種典型驅(qū)動器的比較分類主要特點(diǎn)缺點(diǎn)電磁式（electromagnetic)直線運(yùn)動分辨率可達(dá)級體積大靜電吸引式（electrostatic)體積小位移小，需要高電壓和無塵環(huán)境電磁伸縮式 (electrostrictive)應(yīng)變和壓電驅(qū)動器在同一數(shù)量級， 但蠕變小應(yīng)變受溫度影響明顯磁致伸縮式（magnetostrictiv

4、e)出力大，動態(tài)響應(yīng)迅速應(yīng)變小，有電磁干擾形狀記憶合金 (shape memory alloys)位移大，高于其他驅(qū)動器響應(yīng)速度慢1.1.2 壓電驅(qū)動器的特點(diǎn)(1)不需傳動機(jī)構(gòu)，位移控制精度高，可達(dá)0.01；(2)響應(yīng)速度快，無機(jī)械吻合間隙，約為10，可實(shí)現(xiàn)電壓隨動式位移控制；(3)壓電驅(qū)動器單位重量可獲得較大的輸出功率。己有的數(shù)據(jù)表明，在小型領(lǐng)域內(nèi)（100g 以下），壓電驅(qū)動器的單位重量輸出力或力矩比電磁驅(qū)動器高出一個數(shù)量級，單位重量輸出功率亦是電磁驅(qū)動器的幾倍，而且重量越小差距越明顯；(4)功耗低，比電磁馬達(dá)式的驅(qū)動器低1個數(shù)量級，并且當(dāng)物體保持一定位置(高度)時，器件幾乎無功耗；(5)它

5、是一種固體器件，易與電源、測位傳感器、微機(jī)等實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，且比磁控合金和溫控形狀記憶合金等其它驅(qū)動器體積要小得多；(6)外界磁場對其影響很小。因此，在要求磁干擾影響較小的工作場合，壓電驅(qū)動器有重要的應(yīng)用價值。通過上述幾種典型驅(qū)動器的比較，壓電驅(qū)動器在各方面有著比較明顯的優(yōu)勢。1.2 壓電驅(qū)動器的驅(qū)動方式分類壓電驅(qū)動器作為比較理想的微位移器件，圍繞它所進(jìn)行的關(guān)于精密驅(qū)動機(jī)構(gòu)的研究近年來十分活躍，壓電驅(qū)動的精密機(jī)構(gòu)的工作原理主要有3種：直動型、步進(jìn)型和慣性型。1.2 .1直動型精密驅(qū)動機(jī)構(gòu)這種機(jī)構(gòu)以壓電疊堆為驅(qū)動元件，一般通過柔性鉸鏈給其預(yù)緊力和彈性恢復(fù)力，使用平行四邊形柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)放大或縮小壓電

6、疊堆的位移來驅(qū)動。直動型機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、無間隙、無摩擦、力大，但行程小，定位精度受遲滯、非線性影響，因此對驅(qū)動電路有減小遲滯、 蠕變等非線性的要求，而且由于多個方向的柔性鉸鏈之間有干涉，因此實(shí)現(xiàn)多自由度驅(qū)動較為困難。常見的做法是利用模塊化思想，把不同方向的柔性鉸鏈模塊采用不同方式象搭積木一樣組合起來，即可實(shí)現(xiàn)多自由度的精密驅(qū)動。1.2.2步進(jìn)型精密驅(qū)動機(jī)構(gòu)步進(jìn)型精密驅(qū)動機(jī)構(gòu)亦稱蠕動型精密驅(qū)動機(jī)構(gòu)，如圖1.1,是利用仿生學(xué)原理模仿昆蟲的蠕動爬行方式采用鉗位-驅(qū)動-鉗位的原理實(shí)現(xiàn)高分辨率、大行程運(yùn)動和連續(xù)位移輸出的仿生驅(qū)動器。步進(jìn)型機(jī)構(gòu)通過柔性鉸鏈，使用3個壓電疊堆分別構(gòu)成兩個箝位結(jié)構(gòu)和一個

7、壓電伸縮體，柔性鉸鏈主要起到預(yù)緊和彈性回復(fù)的作用。步進(jìn)型驅(qū)動器的基本工作原理如下：圖1.1步進(jìn)型精密驅(qū)動機(jī)構(gòu)示意圖初始狀態(tài)為2個箝位機(jī)構(gòu)都加電箝位，此時驅(qū)動器處于箝位狀態(tài)，不可運(yùn)動；左箝位機(jī)構(gòu)(右箝位機(jī)構(gòu))加電箝位，右箝位機(jī)構(gòu)(左箝位機(jī)構(gòu)）電壓變?yōu)榱悖恢虚g壓電伸縮體加電伸長，驅(qū)動右箝位機(jī)構(gòu)(左箝位機(jī)構(gòu)）向右(左)運(yùn)動；右箝位機(jī)構(gòu)(左箝位機(jī)構(gòu))加電箝位，左箝位機(jī)構(gòu)(右箝位機(jī)構(gòu))去掉電壓；中間壓電伸縮體去掉電壓，帶動左箝位機(jī)構(gòu)(右箝位機(jī)構(gòu)）向右(左)運(yùn)動，完成一個周期的運(yùn)動。在時序信號的控制下，兩個箝位機(jī)構(gòu)和壓電伸縮體配合動作，形成如上面5步的循環(huán)機(jī)制， 循環(huán)一次，機(jī)構(gòu)向右或向左前進(jìn)一步，如此循環(huán)

8、動作，則形成了步進(jìn)型運(yùn)動。當(dāng)運(yùn)動到工作位置后，前后均加電箝位，保證驅(qū)動器定位準(zhǔn)確。步進(jìn)型原理有效緩解了大行程和高分辨率的矛盾，能夠在保持高分辨率的情況下大大増加驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動行程，因而在諸如細(xì)胞操作等微操作技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。這類驅(qū)動機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是：有箝位要求，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要多路時序信號，對控制系統(tǒng)要求較高，不易操控；同時由于驅(qū)動頻率較低(幾十幾百Hz)，故運(yùn)動速度較低，適合于要求力大、高分辨率、大行程的場合。1.2.3 慣性型精密驅(qū)動機(jī)構(gòu)按照作用機(jī)理的不同，慣性機(jī)構(gòu)可進(jìn)一步分為沖擊型（Impact Drive Mechanism)和粘滑型 (Stick-slip，亦稱慣性-摩擦型)兩種

9、。慣性沖擊型壓電驅(qū)動器的基本結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。其中主體部分與平面接觸，質(zhì)量塊懸空, 壓電疊堆連接二者。其工作原理為：(1)開始時，電壓處于峰值，壓電疊堆處于膨脹狀態(tài),主體和質(zhì)量塊均靜止不動；(2)電壓緩慢下降，壓電疊堆緩慢收縮，質(zhì)量塊處于加速狀態(tài),主體仍靜止；(3)電壓值降為零，壓電疊堆收縮至最小,質(zhì)量塊以最大速度撞擊主體，主體左移一步；(4)電壓快速上升，壓電疊堆迅速膨脹,整個機(jī)構(gòu)再次左移；(5)電壓升至峰值，壓電疊堆回復(fù)膨脹狀態(tài)，整體恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài)，完成一個周期的運(yùn)動。 圖1.2慣性沖擊型驅(qū)動機(jī)構(gòu)示意圖其中，在圖1.2(b)中,主體與平面的接觸靜摩擦力小于壓電疊堆產(chǎn)生的驅(qū)動力，因此主體保持

10、靜止。在圖1.2(c)、（d)中，驅(qū)動力大于最大靜摩擦力，因而主體左移。若運(yùn)動過程改為緩慢膨脹和快速收縮，則電機(jī)將向右運(yùn)動。重復(fù)圖1.2(a)(e)的過程,便可實(shí)現(xiàn)連續(xù)大行程位移。 基于慣性摩擦的壓電驅(qū)動器原理如圖1.3所示。 (1)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)； (2)壓電器件快速伸長，滑塊因慣性保持不動； (3)壓電器件緩慢收縮，滑塊在靜摩擦力作用下隨壓電疊堆的收縮而向左運(yùn)動。 圖1.3慣性摩擦型驅(qū)動機(jī)構(gòu)示意圖經(jīng)過(1)(3)的過程，滑塊將向左運(yùn)動一個步距t。重復(fù)上述控制過程，滑塊將運(yùn)動所要求的行程，改變控制信號的頻率，滑塊的運(yùn)動速度將發(fā)生變化。反過來，若加載控制電壓信號使壓電疊堆先緩慢伸長，再快速收

11、縮，滑塊就會向右運(yùn)動。因此通過調(diào)節(jié)控制信號的波形、幅值及頻率即可實(shí)現(xiàn)雙向驅(qū)動。慣性型精密驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用鋸齒波形電壓驅(qū)動，由于取消了箝位機(jī)構(gòu)，因而機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單， 可高頻工作，運(yùn)動速度快，而且在快速運(yùn)動時可以忽略遲滯、非線性的影響。慣性機(jī)構(gòu)理論上也不受行程限制，結(jié)構(gòu)簡單、速度快，缺點(diǎn)是這種形式的位移受接觸表面粗糙度和環(huán)境因素的影響較大，同時所能輸出的推力不大，因而適于高分辨率、大行程、力小的場合。三種驅(qū)動工作原理的具體特點(diǎn)及其優(yōu)缺點(diǎn)如表1.2所示： 表1.2壓電精密驅(qū)動器的特性分類表分類特性壓電直動型精密驅(qū)動器壓電慣性型精密驅(qū)動器壓電步進(jìn)型精密驅(qū)動器分辨率高，達(dá)到5nm的分辨率中等，達(dá)到0.1m的定

12、位精度高，步進(jìn)分辨率可以達(dá)到20nm響應(yīng)頻率高中較低行程小，只有微米級大大驅(qū)動力靠壓電疊堆的推力驅(qū)動，驅(qū)動力大靠慣性和摩擦力驅(qū)動，驅(qū)動力小靠壓電疊堆和箝位力驅(qū)動，驅(qū)動力較大運(yùn)動速度無較高較低磁干擾無無無能耗及效率能耗小，效率高因摩擦存在，有一定能耗能耗小，效率高機(jī)械結(jié)構(gòu)柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，較簡單較簡單柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，較復(fù)雜摩擦和潤滑無摩擦，無須潤滑有摩擦力有輕微摩擦，無須潤滑發(fā)熱絕熱過程，無發(fā)熱有摩擦，輕微發(fā)熱無發(fā)熱定位保持穩(wěn)定性高低高控制特點(diǎn)閉環(huán)高精度驅(qū)動電源特定波形特定時序控制制造成本較低較低中等經(jīng)過對比3種壓電驅(qū)動器工作方式的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)慣性式壓電驅(qū)動系統(tǒng)在工作行程、分辨率、工作頻率、運(yùn)動速度、頻

13、率響應(yīng)、制造成本、受壓電元件滯環(huán)蠕變影響程度等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，且可行性較強(qiáng)。因此，本設(shè)計(jì)項(xiàng)目決定采用慣性原理來構(gòu)建壓電式精密驅(qū)動系統(tǒng)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)原理與平移式慣性沖擊型壓電驅(qū)動器類似，只需將摩擦力改為摩擦力矩，將沖擊力改為沖擊力矩。結(jié)構(gòu)上為對稱布置，非對稱夾持，采用易于實(shí)現(xiàn)的對稱波形（方波）產(chǎn)生慣性沖擊力，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)。1.3 慣性式壓電驅(qū)動器的研究背景和本設(shè)計(jì)方案的技術(shù)選擇目前，慣性式壓電驅(qū)動器己經(jīng)發(fā)展成為壓電精密驅(qū)動系統(tǒng)的重要分支，成為各個發(fā)達(dá)國家重點(diǎn)研究的高科技技術(shù)之一。日本長岡科學(xué)技術(shù)大學(xué)設(shè)計(jì)的機(jī)器人手臂，可在鋸齒波驅(qū)動下，由壓電晶體產(chǎn)生慣性沖擊力驅(qū)動實(shí)現(xiàn)沿X、Y方向的移動以及

14、繞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 ; Katsushi Furutani等人研制出用于電火花加工機(jī)床的移動工作臺可以在工件表面沿X、Y和方向運(yùn)動 ;瑞士 ETHZ機(jī)器人研究所開發(fā)的微小型慣性沖擊式旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器，最大速能量轉(zhuǎn)換單元為30 mm/s,掃描模式運(yùn)動分辨率為20 nm; 瑞士 ETHZ機(jī)器人研究 所的Abalonell型慣性沖擊式3-DOF精密驅(qū)動器，其工作性能為速度1 mm/s,最大步距 2 Mm,定位精度 10 nm。現(xiàn)有的壓電慣性驅(qū)動器的控制精度較高，但大多是應(yīng)用鋸齒波信號這種非對稱電信號驅(qū)動壓電振子。本文所設(shè)計(jì)的慣性壓電驅(qū)動系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)上為對稱布置，非對稱夾持，通過使用對稱電壓信號驅(qū)動壓電振子，與傳統(tǒng)慣性驅(qū)動機(jī)理相比，具有結(jié)構(gòu)簡單且容易控制，驅(qū)動信號易于產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上提出的新型慣性壓電雙晶片式旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器，具有較高的研究價值和廣泛的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1溫建明, 程光明