基于柔性放大机构的压电粘滑驱动器设计与实验研究.pdf

摘要

摘要

压电粘滑驱动器具有结构简单、理论上无限行程、毫秒级快速响应以及无电磁干

扰等优点，被广泛用于先进制造装备中。然而，由于压电元件有限的变形长度，限制

了驱动器在低频下的输出速度及综合输出能力，阻碍其进一步的发展与应用。为解决

上述问题，本文针对基于柔性放大机构的压电粘滑驱动器进行整体设计，分别基于拓

扑优化方法以及双模式正交设计思想，提出了拓扑优化柔性铰链式驱动器以及正交菱

形柔性机构式驱动器，实现驱动器的直线与旋转运动，有效提高压电粘滑驱动器的步

进效率，综合调控运动粘滑阶段的静动摩擦力，从而提升驱动器综合输出性能。

首先，本文阐述了压电驱动的基础理论，包括对压电正逆效应、压电材料以及压

电元件等进行介绍。揭示了基于固体各向同性材料惩罚模型（SIMP）对柔性铰链机

构进行整体设计的思路，确定了设计域并以最大位移放大比为目标函数以获得驱动器

最佳输出。建立了拓扑优化数学模型并对目标函数与约束函数进行灵敏度计算，最终

利用移动渐近线方法（MMA）求解得到优化结果。对拓扑优化结果进行边界提取与

设计，确定了拓扑优化柔性铰链式压电驱动器整体结构，并对驱动器工作原理进行分

析，继而对定子进行了有限元仿真分析，包括静力分析、应力分析以及模态分析。

其次，对所提出的正交菱形柔性机构进行力学分析，明确机构变形运动规律，并

得到输出位移与机构特征关系表达，为后续确定机构关键尺寸参数提供理论基础。此

外，进行了正交菱形柔性机构式驱动器整体结构设计，并阐明双模式运行原理，基于

有限元仿真分析方法，综合考虑机构放大效果与刚度因素，确定了正交菱形机构最终

尺寸，并得到了机构变形趋势与稳定运行范围。

最后，分别对拓扑优化柔性铰链式以及正交菱形柔性机构式压电粘滑驱动器进行

样机研制，搭载了相应的实验测试系统并进行了实验测试。实验结果表明：拓扑优化

柔性铰链式驱动器在1N锁紧力以及650Hz频率的信号激励下，驱动器实现了15.25

mm/s的运行速度，在3N锁紧力下具有优于330g的负载能力，运动分辨率可达96

nm；此外，在20Nmm的锁紧扭矩下，正交菱形柔性机构式驱动器可在协同驱动模

式下实现逆、顺时针分别3412.5mrad/s和3319.5mrad/s的旋转角速度，并且在精密

驱动模式下运动分辨率分别可达7.42μrad和8.76μrad，具有较高的运行速度与精度，

并且保证了双向运行一致性。实验结果与性能对比表明所提出的两种柔性放大机构式

压电粘滑驱动器均具有较好的输出性能。

关键词：压电粘滑驱动器精密定位柔性放大机构拓扑优化正交设计

I

Abstract

Abstract

Piezoelectricstick-slipactuatorsarewidelyusedinadvancedmanufacturing

equipmentbecauseoftheadvantagesofsimplestructure,theoreticallyinfinitetravel,

millisecondlevelfastresponse,andnoelectromagneticinterference.However,duetothe

limiteddeformationlengthofthepiezoelectricelements,theoutputvelocityandthe

comprehensiveoutputperformanceoftheactuatoratlowfrequenciesareseriouslyaffected,

whichhindersitsfurtherexpansionandapplication.Inordertosolve