基於雙模式疊加的跨尺度壓電驅動技術的研究

《基於雙模式疊加的跨尺度壓電驅動技術的研究》是依託哈爾濱工業大學，由劉英想擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於雙模式疊加的跨尺度壓電驅動技術的研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉英想

項目摘要

針對超精密加工、微納製造、微電子製造等領域對精密驅動技術的實際需求，基於交流驅動共振和直流驅動非共振兩種工作模式疊加的思想，提出了快速、大行程和納米級精度的壓電精密驅動技術解決方案，重點解決兩種工作模式的合理銜接與互補問題，最終目標是要在快速、大推力、行程不受限、微米尺度定位之外賦予壓電驅動器微米尺度行程、納米尺度定位功能，實現真正的跨尺度驅動。規劃適合兩種工作模式疊加的壓電驅動器新構型，建立兩種工作模式下激勵電壓、外部負載、驅動足設定位置、壓電元件的設定位置和使用當量對驅動足位移和振動特性的影響關係，建立適用於動態控制的壓電元件遲滯和蠕變模型，研究交流驅動共振和直流驅動非共振兩種工作模式的融合設計與實現技術，建立適用於雙模式疊加的驅動與控制方法，建立交變應力應變場模型以及驅動器溫度場模型，建立適應溫度場變化的驅動器輸出補償控制方法。建立壓電驅動器實驗系統，驗證相關的基本理論與方法。

結題摘要

針對超精密加工、微納製造、微電子製造、微納操控等領域對精密驅動技術的實際需求，基於共振和非共振驅動兩種工作模式疊加的基本思想,本項目提出了快速、大行程和納米級精度的壓電精密驅動技術解決方案，以彎曲複合、縱向複合、縱彎複合為基本運動組合方式，從致動方式、運動類型、頻率簡併、壓電陶瓷設定、致動區域選擇等方面對壓電驅動器進行了深入研究，揭示了適用於雙模式疊加驅動的壓電驅動器的致動原理，建立了適用於雙模式疊加驅動的壓電驅動器的激勵方法。建立了彎曲複合壓電驅動器雙模式疊加驅動的融合設計方法，建立了其動力學模型，解決了兩種工作模式的合理銜接與互補問題；驅動器在共振模式下最大輸出速度達1104mm/s，在非共振模式下位移解析度達16nm，在具備快速、大行程輸出的同時兼顧了納米尺度定位的能力。基於驅動足振動軌跡的可控性實現了共振模式下彎振複合驅動器的低速控制，消除了傳統共振型壓電驅動器存在的速度死區問題，獲得了良好的低速可控特性。搭建了縱彎複合壓電驅動器的閉環控制系統，定位精度達到了30nm，跟蹤正弦信號的最大相位滯後為2.808°，幅值誤差為0.177μm。深入研究了工作在共振模式下壓電驅動器的熱耦合特性，得到了驅動器在空載、帶載情況下的溫升特性，揭示了壓電驅動器熱耦合特性的變化規律。規劃了多種適用於兩種工作模式疊加的壓電驅動器基本構型，研發了多種新型壓電驅動器樣機並開展了實驗研究。將所研製的適用於雙模式疊加的壓電驅動器成功用於控制力矩陀螺、折展機構、可旋轉式套筒機構等領域，實驗結果充分證明了該類壓電驅動器已經具備了在各類高端裝備領域獲得廣泛套用的潛力。在本項目資助下，發表學術論文58篇（SCI收錄47篇），獲得授權發明專利22項，培養已畢業博士2人、碩士13人，另有3名博士研究生正在本項目的資助下開展課題研究。本項目的研究成果可為大尺度納米級壓電驅動器的設計與分析提供基礎的理論指導，對拓寬壓電驅動技術的套用領域有十分積極的意義。