摘要
压电驱动器是具有精度高、体积小、响应快、不受电磁干扰、兼容度高等特点的精密驱动装置，目前在航空航天、微操作与微装配、生物细胞工程、微机器人、超精密加工等高精尖领域成为了重要的支撑载体。学者们在压电驱动器的结构设计与优化、理论建模与分析、性能测评、应用拓展等方面做了大量研究，极大地推进了压电驱动技术的进步与发展。 本文在详细调研现有压电驱动器，尤其是两自由度压电驱动器的研究现状之后，发现现存两自由度压电驱动器无法兼备大行程、小体积、高精度等特点，这一问题限制了其作为精密定位平台的实际应用。针对这一问题，本文将对同时兼备上述特点的两自由度压电驱动器开展结构设计、试验与应用研究。所设计的两自由度压电驱动器基于粘滑驱动原理工作，并且采用两个自由度串联连接的构型，来保证两个自由度独立的大工作行程，其具备55mm×55mm×30mm的外部尺寸以及19mm×19mm的工作行程。利用弹性梁法对杠杆式柔性铰链机构的放大比进行了理论计算，得到的结果为3.49，同时也利用有限元仿真软件Abaqus对放大比进行了分析，得到的放大比3.445，两者结果偏差仅有1%。此外，开展了杠杆式柔性铰链机构的应力和模态仿真分析，结果显示，当压电叠堆输出最大位移时，柔性铰链机构的最大应力为44.47MPa，满足强度要求，一阶固有频率为968.89Hz，具有较宽的工作频率范围。 随后，开展了两自由度压电驱动器的加工、装配与调试，通过试验平台，探究了速度-驱动电压频率特性、速度-驱动电压幅值特性、负载能力、分辨率等特性。结果显示驱动器沿着x轴正向、x轴反向、y轴正向、y轴反向运动的最高速度分别为5.2mm/s、5.1mm/s、4.98mm/s、5.18mm/s；分辨率分别为42nm、47nm、38nm、50nm；最大竖直负载为2N，最大水平负载为1N。 在上述研究工作的基础上，面向材料表面微结构阵列加工的实际需求，开展了所设计的两自由度压电驱动器的应用研究，集成设计了一款成本低廉、结构简单、使用方便的时序控制表面微结构阵列加工装置。利用该装置，在Ti6Al4V和铝1015表面加工制备了不同形状和深度的微结构阵列，验证了设计方案的可行性。 综上，本文基于粘滑驱动原理，研制了一款兼具结构紧凑、行程大、精度和稳定性高等特点的两自由度压电驱动器，开展了驱动器的结构设计、理论分析、试验研究与典型应用研究，为该类型驱动器的设计与应用提供了一定的参考。
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