磁流变液控制式惯性压电旋转驱动器的研究

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惯性式压电驱动器是一种利用惯性力与摩擦力配合实现连续运动的驱动装置。因其结构简单,形成驱动的运动方式易于控制,近年来相关的研究不断增加。尽管目前国内外学者对惯性压电驱动器的研究取得了很多重要的成果,但现有惯性压电驱动技术仍然存在刚性冲击、摩擦磨损大、摩擦不均匀、回退率难于控制、稳定性不高等方面的问题。为了提高惯性压电驱动器的性能,本文结合压电惯性驱动与磁流变传动技术共同作用,提出了磁流变液控制式惯性压电旋转驱动器。具体研究内容如下:(1)分析了非对称夹持压电振子的结构、运动过程;并通过COMSOL软件对非对称夹持压电振子进行振动模态分析,并进行了实验测试;分析了非对称夹持压电振子静态端部位移,采用MATLAB软件对驱动电压、夹持差大小与压电振子振幅的关系进行仿真研究;最后对压电振子驱动力矩进行理论分析。并根据仿真和理论分析的结果,确定了非对称夹持压电振子的夹持差和驱动器工作频率范围。(2)基于对磁流变液流变效应、组成以及工作模式的分析,确定了磁流变液的选用原则及工作模式。通过对磁流变液的基本性能的理论分析,确定了可通过调节磁场磁感应强度、磁流变液浓度来改变磁流变液磁化特性;确定了磁场的布置形式,采用COMSOL软件对磁场的磁感应强度进行了仿真分析,并通过实验测试了磁场磁感应强度和磁流变液浓度的变化对磁流变液性能的影响,为驱动器的设计、研发和试验提供了理论支撑。(3)针对磁流变液控制式惯性压电旋转驱动器如何选取合理的结构及如何选取合理控制方法的关键问题,拟定了驱动器选用摩擦盘与磁流变液构成剪切模式,并且通过控制变量的方法改变摩擦盘与磁流变液的接触面积、磁流变液浓度、磁感应强度的解决策略。再对两种驱动器工作原理理论进行分析,设计了磁流变液和机械控制式惯性压电旋转驱动器的结构,最后对两类惯性压电驱动器运动过程进行分析。(4)对磁流变液控制式惯性压电旋转驱动器进行了试验测试,试验结果表明通过控制磁流变液的浓度和磁块的距离可有效地控制驱动器的回退,提高驱动器的稳定性。并对两种驱动器回退率、线性度、重复性进行试验研究,结果显示:在1Hz,15V的方波信号激励下,磁流变液控制式惯性压电旋转驱动器回退性能、线性度、重复性均优于机械控制式惯性压电旋转驱动器。
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