實驗名稱：基于振動濾波器的高精度壓電位移平臺研究的實驗

研究方向：振動濾波器在壓電馬達領(lǐng)域的應用。

實驗目的：本研究旨在深入探究壓電馬達中質(zhì)量和剛度分布對其運動特性的影響機制，首次在壓電馬達領(lǐng)域提出振動質(zhì)量隔離思想，通過引入振動濾波器可控地調(diào)整壓電馬達的質(zhì)量和剛度分布，以改善駐波型、行波型、慣性沖擊型壓電馬達及壓電位移平臺的運動特性，提高運行效率、解決諧振點漂移、增強重載能力等問題，并從理論或?qū)嶒灲嵌汝U述基于振動濾波器的振動質(zhì)量隔離方法的工作機制。

測試設(shè)備：ATA-2168高壓放大器、信號發(fā)生器、示波器、激光位移傳感器、自制渦流位移傳感器等。

圖1：實驗測試平臺

實驗過程：

圖2：柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于振動濾波器的高精度壓電位移平臺實驗中，首先設(shè)計對照實驗，將原滑塊分為主動滑塊與被動滑塊并通過柔性鉸鏈連接，構(gòu)成基于振動濾波器的移動臺，另一組為參考移動臺，兩者均放置于V形槽導軌上，通過銅-石墨直線軸承保證壓電致動器沿長度方向運動，利用可調(diào)整底座調(diào)節(jié)預緊彈簧變形以優(yōu)化預緊力。實驗時，由信號發(fā)生器生成階躍、方波等驅(qū)動信號，經(jīng)功率放大器推動后作用于壓電致動器，通過示波器監(jiān)測驅(qū)動電壓，采用激光位移傳感器測量移動臺位移，后期納米級定位測試改用自制渦流位移傳感器。通過改變驅(qū)動信號波形（如方波、鋸齒波、尖脈沖波）和摩擦力大小，記錄移動臺階躍響應、連續(xù)運動特性等數(shù)據(jù)，結(jié)合四階Runge-Kutta法求解動力學模型，分析振動濾波器對平臺速度、重載能力及定位精度的影響。

實驗結(jié)果：

圖3：移動臺的階躍響應

圖4：移動臺階躍響應與驅(qū)動電樂的關(guān)系

圖5：移動臺的連續(xù)運動特性

基于振動濾波器的高精度壓電位移平臺實驗結(jié)果表明，該平臺在繼承參考平臺驅(qū)動電源成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、納米級定位能力（10nm量級）等優(yōu)點的基礎(chǔ)上，速度和重載能力顯著提升：階躍響應中最終位移達6.5μm，約為參考平臺的4倍，拖動大質(zhì)量負載時移動效率提升明顯；連續(xù)運動測試中，方波驅(qū)動下速度更快，且通過調(diào)整驅(qū)動信號波形（如尖脈沖波）可減少位移過沖；動力學模型計算驗證，1.5倍摩擦力下平臺正向位移增大，柔性鉸鏈設(shè)計雖降低整體剛度但通過優(yōu)化可平衡剛度與隔離效果，實現(xiàn)了在不影響納米級定位精度的前提下，有效提升平臺運動性能的目標。

放大器在該實驗中發(fā)揮的效能：在基于振動濾波器的高精度壓電位移平臺實驗中，功率放大器發(fā)揮了關(guān)鍵效能：其將信號發(fā)生器生成的驅(qū)動信號進行功率放大，使低功率電信號轉(zhuǎn)化為足以驅(qū)動壓電致動器的高功率信號，確保壓電堆能產(chǎn)生足夠的機械位移以推動平臺運動。通過穩(wěn)定放大階躍、方波等驅(qū)動信號，放大器保障了壓電致動器對驅(qū)動信號的準確響應，進而使平臺在實驗中實現(xiàn)了速度和重載能力的提升，為驗證振動濾波器對平臺運動特性的改善提供了可靠的功率支撐。

安泰ATA-2168高壓放大器：

圖：ATA-2168高壓放大器指標參數(shù)

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審核編輯 黃宇