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1、目 录1. 方案调研与分析 1.1 精密驱动器的类型和特点 1.2 压电驱动器的驱动方式分类 1.3 惯性式压电驱动器的研究背景和本设计方案的技术选择2. 系统设计 2.1 系统原理、组成结构 2.2 系统工作流程 3. 系统精度及误差分析 3.1 系统误差源 3.2 误差补充措施 4. 课题分工： 4.1 苏君梓（ 精24 学号2012010595）负责方案调研与分析 4.2 4.3 4.4 4.5 非对称夹持式惯性压电旋转驱动系统的设计 卢悦越 苏君梓 李天龙 闫石 1. 方案调研与分析1.1 精密驱动器的类型和特点 1.1.1 精密驱动器的分类和比较近年来，随着微纳米技术的迅猛发展，在超
2、精密加工、精密器件微制造、精密测量、航天等相关技术领域都迫切需要精密驱动机构。精密驱动系统是指位移灵敏度高和精确度好的机构。完整的精密驱动系统包括精密驱动器、 控制系统和检测装置三个部分。在精密驱动系统中，驱动器是必需的重要部件，驱动器的性能直接影响精密驱动系统的性能。根据微位移的原理，驱动器可分成两大类：机械式和机电式。要实现亚微米甚至纳米级的定位,常规的驱动和传动方式将不再适合。比如,通常为了实现精密定位，往往采用伺服电机驱动和精密丝杠传动的方案，然而由于螺纹空程和传动摩擦的存在, 其定位精度一般只能达到微米级。所以，机械式的驱动原理很难达到所需要的纳米级精度。机电式驱动器的研究一直引起国
3、内外科技界的重视，几十年来己经开发出多种驱动器，归纳起来基本可以分为：电磁式驱动器（旋转式交、直流电动机，直线电动机，步进电动机等）、 气压、液压驱动器、特殊型驱动器（超声波、橡胶、超导、形状记忆合金、金属氢、静电、压电等）。几种典型的驱动器及其优缺点如表1.1所示：表1.1几种典型驱动器的比较分类主要特点缺点电磁式（electromagnetic)直线运动分辨率可达级体积大静电吸引式（electrostatic)体积小位移小，需要高电压和无尘环境电磁伸缩式 (electrostrictive)应变和压电驱动器在同一数量级， 但蠕变小应变受温度影响明显磁致伸缩式（magnetostrictiv
4、e)出力大，动态响应迅速应变小，有电磁干扰形状记忆合金 (shape memory alloys)位移大，高于其他驱动器响应速度慢1.1.2 压电驱动器的特点(1)不需传动机构，位移控制精度高，可达0.01；(2)响应速度快，无机械吻合间隙，约为10，可实现电压随动式位移控制；(3)压电驱动器单位重量可获得较大的输出功率。己有的数据表明，在小型领域内（100g 以下），压电驱动器的单位重量输出力或力矩比电磁驱动器高出一个数量级，单位重量输出功率亦是电磁驱动器的几倍，而且重量越小差距越明显；(4)功耗低，比电磁马达式的驱动器低1个数量级，并且当物体保持一定位置(高度)时，器件几乎无功耗；(5)它
5、是一种固体器件，易与电源、测位传感器、微机等实现闭环控制，且比磁控合金和温控形状记忆合金等其它驱动器体积要小得多；(6)外界磁场对其影响很小。因此，在要求磁干扰影响较小的工作场合，压电驱动器有重要的应用价值。通过上述几种典型驱动器的比较，压电驱动器在各方面有着比较明显的优势。1.2 压电驱动器的驱动方式分类压电驱动器作为比较理想的微位移器件，围绕它所进行的关于精密驱动机构的研究近年来十分活跃，压电驱动的精密机构的工作原理主要有3种：直动型、步进型和惯性型。1.2 .1直动型精密驱动机构这种机构以压电叠堆为驱动元件，一般通过柔性铰链给其预紧力和弹性恢复力，使用平行四边形柔性铰链机构放大或缩小压电
6、叠堆的位移来驱动。直动型机构的特点是结构紧凑、无间隙、无摩擦、力大，但行程小，定位精度受迟滞、非线性影响，因此对驱动电路有减小迟滞、 蠕变等非线性的要求，而且由于多个方向的柔性铰链之间有干涉，因此实现多自由度驱动较为困难。常见的做法是利用模块化思想，把不同方向的柔性铰链模块采用不同方式象搭积木一样组合起来，即可实现多自由度的精密驱动。1.2.2步进型精密驱动机构步进型精密驱动机构亦称蠕动型精密驱动机构，如图1.1,是利用仿生学原理模仿昆虫的蠕动爬行方式采用钳位-驱动-钳位的原理实现高分辨率、大行程运动和连续位移输出的仿生驱动器。步进型机构通过柔性铰链，使用3个压电叠堆分别构成两个箝位结构和一个
7、压电伸缩体，柔性铰链主要起到预紧和弹性回复的作用。步进型驱动器的基本工作原理如下：图1.1步进型精密驱动机构示意图初始状态为2个箝位机构都加电箝位，此时驱动器处于箝位状态，不可运动；左箝位机构(右箝位机构)加电箝位，右箝位机构(左箝位机构）电压变为零；中间压电伸缩体加电伸长，驱动右箝位机构(左箝位机构）向右(左)运动；右箝位机构(左箝位机构)加电箝位，左箝位机构(右箝位机构)去掉电压；中间压电伸缩体去掉电压，带动左箝位机构(右箝位机构）向右(左)运动，完成一个周期的运动。在时序信号的控制下，两个箝位机构和压电伸缩体配合动作，形成如上面5步的循环机制， 循环一次，机构向右或向左前进一步，如此循环
8、动作，则形成了步进型运动。当运动到工作位置后，前后均加电箝位，保证驱动器定位准确。步进型原理有效缓解了大行程和高分辨率的矛盾，能够在保持高分辨率的情况下大大増加驱动机构的运动行程，因而在诸如细胞操作等微操作技术中得到了广泛的应用。这类驱动机构的特点是：有箝位要求，因而结构复杂，需要多路时序信号，对控制系统要求较高，不易操控；同时由于驱动频率较低(几十几百Hz)，故运动速度较低，适合于要求力大、高分辨率、大行程的场合。1.2.3 惯性型精密驱动机构按照作用机理的不同，惯性机构可进一步分为冲击型（Impact Drive Mechanism)和粘滑型 (Stick-slip，亦称惯性-摩擦型)两种
9、。惯性冲击型压电驱动器的基本结构如图1.2所示。其中主体部分与平面接触，质量块悬空, 压电叠堆连接二者。其工作原理为：(1)开始时，电压处于峰值，压电叠堆处于膨胀状态,主体和质量块均静止不动；(2)电压缓慢下降，压电叠堆缓慢收缩，质量块处于加速状态,主体仍静止；(3)电压值降为零，压电叠堆收缩至最小,质量块以最大速度撞击主体，主体左移一步；(4)电压快速上升，压电叠堆迅速膨胀,整个机构再次左移；(5)电压升至峰值，压电叠堆回复膨胀状态，整体恢复静止状态，完成一个周期的运动。 图1.2惯性冲击型驱动机构示意图其中，在图1.2(b)中,主体与平面的接触静摩擦力小于压电叠堆产生的驱动力，因此主体保持
10、静止。在图1.2(c)、（d)中，驱动力大于最大静摩擦力，因而主体左移。若运动过程改为缓慢膨胀和快速收缩，则电机将向右运动。重复图1.2(a)(e)的过程,便可实现连续大行程位移。 基于惯性摩擦的压电驱动器原理如图1.3所示。 (1)系统处于初始状态； (2)压电器件快速伸长，滑块因惯性保持不动； (3)压电器件缓慢收缩，滑块在静摩擦力作用下随压电叠堆的收缩而向左运动。 图1.3惯性摩擦型驱动机构示意图经过(1)(3)的过程，滑块将向左运动一个步距t。重复上述控制过程，滑块将运动所要求的行程，改变控制信号的频率，滑块的运动速度将发生变化。反过来，若加载控制电压信号使压电叠堆先缓慢伸长，再快速收
11、缩，滑块就会向右运动。因此通过调节控制信号的波形、幅值及频率即可实现双向驱动。惯性型精密驱动机构采用锯齿波形电压驱动，由于取消了箝位机构，因而机械结构简单， 可高频工作，运动速度快，而且在快速运动时可以忽略迟滞、非线性的影响。惯性机构理论上也不受行程限制，结构简单、速度快，缺点是这种形式的位移受接触表面粗糙度和环境因素的影响较大，同时所能输出的推力不大，因而适于高分辨率、大行程、力小的场合。三种驱动工作原理的具体特点及其优缺点如表1.2所示： 表1.2压电精密驱动器的特性分类表分类特性压电直动型精密驱动器压电惯性型精密驱动器压电步进型精密驱动器分辨率高，达到5nm的分辨率中等，达到0.1m的定
12、位精度高，步进分辨率可以达到20nm响应频率高中较低行程小，只有微米级大大驱动力靠压电叠堆的推力驱动，驱动力大靠惯性和摩擦力驱动，驱动力小靠压电叠堆和箝位力驱动，驱动力较大运动速度无较高较低磁干扰无无无能耗及效率能耗小，效率高因摩擦存在，有一定能耗能耗小，效率高机械结构柔性铰链结构，较简单较简单柔性铰链结构，较复杂摩擦和润滑无摩擦，无须润滑有摩擦力有轻微摩擦，无须润滑发热绝热过程，无发热有摩擦，轻微发热无发热定位保持稳定性高低高控制特点闭环高精度驱动电源特定波形特定时序控制制造成本较低较低中等经过对比3种压电驱动器工作方式的特点，发现惯性式压电驱动系统在工作行程、分辨率、工作频率、运动速度、频
13、率响应、制造成本、受压电元件滞环蠕变影响程度等方面具有独特的优势，且可行性较强。因此，本设计项目决定采用惯性原理来构建压电式精密驱动系统。本项目设计原理与平移式惯性冲击型压电驱动器类似，只需将摩擦力改为摩擦力矩，将冲击力改为冲击力矩。结构上为对称布置，非对称夹持，采用易于实现的对称波形（方波）产生惯性冲击力，从而实现机构的旋转。1.3 惯性式压电驱动器的研究背景和本设计方案的技术选择目前，惯性式压电驱动器己经发展成为压电精密驱动系统的重要分支，成为各个发达国家重点研究的高科技技术之一。日本长冈科学技术大学设计的机器人手臂，可在锯齿波驱动下，由压电晶体产生惯性冲击力驱动实现沿X、Y方向的移动以及
14、绕旋转运动 ; Katsushi Furutani等人研制出用于电火花加工机床的移动工作台可以在工件表面沿X、Y和方向运动 ;瑞士 ETHZ机器人研究所开发的微小型惯性冲击式旋转驱动器，最大速能量转换单元为30 mm/s,扫描模式运动分辨率为20 nm; 瑞士 ETHZ机器人研究 所的Abalonell型惯性冲击式3-DOF精密驱动器，其工作性能为速度1 mm/s,最大步距 2 Mm,定位精度 10 nm。现有的压电惯性驱动器的控制精度较高，但大多是应用锯齿波信号这种非对称电信号驱动压电振子。本文所设计的惯性压电驱动系统，结构上为对称布置，非对称夹持，通过使用对称电压信号驱动压电振子，与传统惯性驱动机理相比，具有结构简单且容易控制，驱动信号易于产生等优点。在此基础上提出的新型惯性压电双晶片式旋转驱动器，具有较高的研究价值和广泛的应用前景。参考文献1温建明, 程光明, 曾平, 杨志刚.新型惯性式压电旋转驱动器J.吉林大学学报( 工学版), 2007，37（5）: 1112-1115.2李晓韬,程光明,杨志刚,马希里,曾平.应用惯性冲击原理的非对称夹持式压电旋转驱动器的设计J.光学 精密工程, 2010,18(1): 156 - 161.3刘向锋 刘大伟 高 志 刘 莹 丘 天.新型压
