團隊依托西安交通大學航空航天航空學院機械結構強度與震動國家重點實驗室組建，以學院副院長、實驗室主任徐明龍為帶頭人，經過十余年的積累，在壓電驅動原理、驅動方案、驅動結構、驅動控制等方向取得了豐碩的研究成果與深厚的應用經驗。形成了多自 由度精密作動平臺，大行程高精度作動器件、驅動控制算法與硬件三個方面系列化成果，在壓電驅動的精密作動領域能夠提供國際領先的壓電精密驅動解決方案。
圖 1 團隊壓電驅動解決方案
多自由度精密驅動平臺:
1.二自由度精密組東平臺
在衛星光通信中，兩自由度精確指向調節結構用于快速調整角度的精密偏轉定位機構，它是用于精密瞄準，相對于傳統光學伺服系統，其精度和帶寬都有大幅度提高，彌補了傳統光學系統慣量大、帶寬窄的缺陷，因此這種機構在軍事、航空航天、光學工程以及精密檢測等領域都有廣泛應用。本團隊采用壓電陶瓷作為驅動系統，設計了小體積直驅型高帶寬壓電直驅的精指向執行機構兩自由度精確指向調節結構。
圖 2 小體積直驅型高帶寬壓電直驅的精指向執行機構
該機構利用單個壓電堆直接驅動，不引入放大機構，通過單軸下一對壓電堆“推-拉”工作模式實現鏡面偏轉。該機構采用直驅作動方式，與位移放大式執行機構相比，該設計很大程度上減小了偏轉機構徑向尺寸，結構更緊湊，體積更小，同時具有更大的工作帶寬和更高可靠性。此外該機構內部集成應變式偏轉角傳感單元（SGS）和信號處理電路用于閉環偏轉角位移反饋，與國外產品相比具有更高的集成度。
表 1 小體積直驅型高帶寬壓電直驅的精指向執行機構性能指標
2.三自由度精密作動平臺
在光學遙感領域，空間相機等有效載荷需要相機調節機構來承載并實現輔助運動。通過對調節機構的調整可以增大相機視野，實現成像并獲取各種信息和圖像。而衛星平臺由于空間環境和星體活動部件等因素的影響，會產生微振動。隨著空間相機分辨率水平的提高，這種微振動對成像品質的影響也顯著增加。平臺振動耦合到相機的光軸上，便會引起被攝景物與相機焦面發生相對運動，從而產生像移。當相機的空間分辨率很高時，這種像移會導致嚴重的像質退化，影響圖像品質。
因此，實現空間相機穩像的關鍵技術便是要減小甚至抵消振動干擾對成像品質的影響。運用光學穩像控制系統，設計伺服機構可以在光路中實時校正相機光軸偏移。從而實現景物在主成像相機焦面上的相對穩定，減小像移，提高成像分辨率。
針對于這種需求， 團隊開發了一種三自由度（XY θz）壓電穩像作動平臺，其結構如下圖所示：
該三自由度穩像結構由完全對稱設計的 XY 平動并聯機構和反對稱設計的 繞 Z 軸偏轉機構經由一個底部設置凹槽的十字型連接結構用螺釘上下連接而成。 當安裝在菱形壓電作動器中的壓電堆在一對差分電壓信號下，基于壓電材料的逆壓電效應，壓電堆產生大小相等方向相反的一對位移。經由兩級放大機構可實現動平臺的XY平動； 當安裝在繞 Z 軸偏轉機構中的壓電堆在一對相同電壓信號下，可實現動平臺的繞 Z 軸偏轉。
該三自由度 XY θz 壓電穩像作動結構具有結構緊湊、響應快、無機械摩擦以及 X 和 Y 方向可實現雙向作動等優點；并且 XY 平動并聯機構采用了兩級放大結構，用于實現壓電堆形變的位移放大輸出，使得機構在整體結構尺寸較小的情況下能產生較大的微位移。此外，平動機構采用了對稱設計的導向結構，實現了機構的解耦，提高了壓電穩像作動結構的調節精度。
表 2 三自由度壓電精指向執行機構性能指標
大型程壓電作動器:
1.大推重比直線驅動器
針對于形狀控制、加工進給等系統提出的高精度、大負載驅動需求，團隊開發了具有很高推重比的直線驅動裝置，該作動器能夠在600g的質量內，實現 600N 以上的推拉力。
2.小型直線驅動器
為適應在小的空間尺寸下實現高精度的位移輸出，團隊還設計了一款具有位移反饋功能的小型直線壓電作動器，該作動器利用非對稱的鋸齒波驅動壓電堆，通過慣性沖擊原理作動，采用比例式線性霍爾傳感器實時感知位移；并且結構緊湊，易于安裝，具有作動快速精準，斷電鎖止，鉗位力可調節的特點，能夠在足夠小的結構下實現大的推重比與高精度的位移輸出性能。作動器行程可以依據客戶需求定制，最高可達 6 毫米，其位移精度可達 0.5 微米，能夠實現總行程千分之一的定位精度。
針對科學研究，光學研究當中對旋轉運動的精密控制需求，團隊研發了壓電材料驅動的精密旋轉作動器，該作動器能夠在慣性式驅動原理的控制下完成順時針逆時針兩個方向的 360°大范圍圓周運動，且能夠實現千分之一度的角位移分辨率。作動器內部集成有光柵式角位移傳感器。
控制驅動設備:
團隊可以依據不同需求的壓電執行機構實現多種方式的驅動控制， 以基于 FPGA 的壓電作動器驅動控制系統為例：
該 FPGA 控制系統能夠實現多協議數字通信、三通道獨立驅動、支持雙通道16位高速數據采集、閉環控制等多個功能?？梢詰糜诖笮谐痰某唧妒綁弘娮鲃悠?、慣性式壓電作動器、壓電式多自由度調節平臺等多種壓電驅動結構。該驅動設備已經為科研院所提供了航天級的定制產品。
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