彎振復合型壓電驅(qū)動器的激勵方法與實驗研究.pdf

1、壓電驅(qū)動器以其能量密度大、定位精度高、響應速度快、電磁兼容性好等優(yōu)點可以應用到航天、精密機械等一些具有特殊要求的場合。在多種類型的壓電驅(qū)動器中，彎振復合型壓電驅(qū)動器通過將相互正交的彎振模態(tài)進行合理的組合，避免了模態(tài)特征頻率簡并帶來的眾多問題。為了使彎振復合型壓電驅(qū)動器具備更高的機電耦合效率和更好的機械輸出特性，本文以其激勵方法為出發(fā)點，設計了五種不同激勵方法下的彎振復合型壓電驅(qū)動器，來對比分析哪種激勵方法可以使彎振復合型壓電驅(qū)動器具有更

2、優(yōu)良的特性。
　　本文首先確定了彎振復合型壓電驅(qū)動器的新構(gòu)型，該構(gòu)型采用壓電陶瓷夾心式結(jié)構(gòu)，利用壓電陶瓷的d33工作模式以提高機電耦合效率，其橫截面形狀均為圓形，可以保證兩正交的同階彎振模態(tài)特征頻率的一致。接著，分析了彎振復合型壓電驅(qū)動器的致動原理，推導出了驅(qū)動足處質(zhì)點的橢圓軌跡，并確立了該構(gòu)型驅(qū)動器的五種激勵方法，分別為半片壓電陶瓷激勵、整片兩極化分區(qū)陶瓷單電極激勵、整片兩極化分區(qū)陶瓷雙電極激勵、整片四極化分區(qū)陶瓷雙電極激勵和整

3、片四極化分區(qū)陶瓷四電極激勵。然后根據(jù)彎振復合型壓電驅(qū)動器的工作性能需求確定了各部分的材料。最后建立了彎振復合型壓電驅(qū)動器的等效電路模型，并對其導納圓進行了推導和參數(shù)分析，得出了等效電路模型參數(shù)的計算公式，為后續(xù)的實驗部分提供了理論指導。
　　在理論分析的基礎上，本文利用ANSYS軟件對五種激勵方法下的彎振復合型壓電驅(qū)動器建立了有限元參數(shù)化模型，利用模態(tài)分析得到了所需的二階彎振模態(tài)，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)使其特征頻率達到35kHz左右，確定出

4、了最終的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并驗證了該對稱結(jié)構(gòu)使得水平和豎直方向上二階彎振模態(tài)的特征頻率一致，也驗證了固定座與法蘭之間的薄壁環(huán)可以大大減少法蘭的夾持對壓電驅(qū)動器特征頻率和振動模態(tài)的影響。接著進行了諧響應分析和瞬態(tài)分析，分別得到了五種激勵方法下彎振復合型壓電驅(qū)動器的機電耦合效率和驅(qū)動足質(zhì)點的振動軌跡。最后研究了整片壓電陶瓷中未極化區(qū)域?qū)挾葘澱駨秃闲蛪弘婒?qū)動器特征頻率、機電耦合效率和驅(qū)動足質(zhì)點振幅的影響。仿真結(jié)果表明：整片四極化分區(qū)陶瓷激勵的方法為

5、最優(yōu)。
　　根據(jù)仿真中確定好的結(jié)構(gòu)參數(shù)研制出了五個不同激勵方法下的彎振復合型壓電驅(qū)動器，五個壓電驅(qū)動器具有一致的外形尺寸，利用阻抗分析儀對它們進行了阻抗特性測試，測量出各自的阻抗頻率曲線和導納圓，得到了等效電路模型參數(shù)值，并進行了阻抗匹配；利用激光測振儀對它們進行了模態(tài)振型測試，得到了各自在水平方向和豎直方向上的振速響應曲線和所需的二階彎振模態(tài)，以及共振頻率；進行了熱耦合特性測試，得到了空載運行時的溫升特性，運行溫度對各自驅(qū)動足振