免费论文：多自由度杆式行波型压电超声驱动器研究

近年来，微型机器人特别是用于医疗操作的体内机器人得到了快速发展，这就对多自由度微型驱动器提出了越来越高的要求。这种驱动器不仅要有微尺寸的结构，还需具有多自由度运动、高输出转矩和快速响应等特性。本文通过深入分析和探讨，逐本溯源，提出一种新型单PZT定子多自由度杆式行波型压电超声驱动方法，极大地简化了系统结构，为多自由度驱动器的微型化提供了一种新的思路和解决方案。基于该驱动方法，设计和加工了尺寸为0.75mm×0.75mm×1.55mm的微型三自由度杆式行波型超声驱动器样机系统。 本论文的研究内容主要包括： 1) 多自由度杆式驱动器运动机理的分析：对多自由度杆式行波型超声驱动器的运动机理进行了分析，详细探讨了定子驱动点的运动轨迹，总结了驱动器能够实现三自由度输出的规律。 2) 驱动器机电耦合分析：针对新型多自由度杆式行波型压电超声驱动器，提出一种三维通电的设计概念，从而可以同时激励驱动器定子的两个振动模态，以实现驱动器的三自由度运动输出。求解了三维通电情况下的电场方程，利用该解析模型，详细地分析了PZT内部电场分布情况。同时，利用Timoshenko梁理论推导了定子弯曲振动的表达式，获得了定子弯振时的振型、弯矩、剪力和转角等信息。通过以上两种理论模型给出的定子电场分布与应力分布情况，详细分析了PZT在三维电场下的机电耦合情况。分析结果表明本文提出的三维通电方式能够有效地同时激发定子的双模态，从原理上验证了该通电方式的合理性。 3) 有限元分析与优化：利用有限元方法对驱动器定子的振动进行了分析，证实了驱动器工作时所需的多种模态。应用了模态置信准则，成功地实现了有限元分析软件的自动模态识别。对定子的模态进行了优化，得到了定子尺寸、频率和模态简并程度的最优效果。对定子进行了谐响应分析，验证了驱动器原理的正确性。 4) 微驱动器的设计、制作及装配：设计了三自由度杆式行波型超声驱动器样机，针对微驱动器的制作及装配方法进行了深入探讨。特别研制了一套用于PZT镀膜的掩膜板套件，为PZT的上电极操作提供了实现手段。深入分析了导线与PZT微电极之间的粘接问题，总结出了一套实用有效的操作方法。 5) 多通道交流电源及其控制器的设计：针对单PZT定子多自由度杆式行波型压电超声驱动器，采用DDS技术设计研制了一套四路频率可调、相位可鉴和电压可变的交流电源。其频率极限大于500KHz，分辨率为0.012Hz，相位分辨率为8.4×10^(-8)度，最高输出电压可达430V_pp。 6) 微型驱动器的实验测试：针对微驱动器样机进行了相关实验测试工作。其中，阻抗实验表明，驱动器样机包含了部分退化模态，给定子的模态辨别带来了一定困难。但是，定子本身的对称性使得空间垂直的两个弯曲模态依然能够自然匹配。原理性实验证明，在多个通电频率下，驱动器均能实现Z轴的运动输出。另外，利用光学方法进一步测试了驱动器的输出性能，测试结果表明在通电电压为14V_rms的激励下，驱动器的最高转矩为0.27μNm，空载转速为2760r/min。与其它驱动器相比，该驱动器具备优异的输出性能。 总之，本文通过理论建模、有限元分析以及实验验证等手段，针对新型单PZT定子多自由度杆式行波型压电超声微驱动器进行了有意义的探索。

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