三自由度压电叠堆微位移放大机构的研究

提出一种应用于压电叠堆的微位移放大机构,该机构以压电叠堆为驱动元件,通过基于杠杆原理的柔性铰链二级放大机构,放大压电叠堆的输出位移,在互相垂直的三个自由度方向上通过磁性部件连接,实现三自由度方向上独立的位移输出。同时,通过仿真和试验,对其静态特性和动态特性进行研究。试验测试结果表明:该机构对压电叠堆输出位移的放大倍数达到5倍,三个自由度方向上的位移互相没有影响,并且该机构具有线性良好、高分辨率和高频响应等特点。     

应用于压电叠堆泵的微位移放大机构

提出了一种应用于压电叠堆泵的微位移放大机构,该机构以压电叠堆(积层式压电微位移器)为驱动元件,通过基于三角形放大原理的柔性铰链放大机构,放大压电叠堆的输出位移。同时,设计、研制了实验装置,并在试制样机上对其静、动态特性进行了实验。实验测试结果表明:该机构对压电叠堆输出位移的放大倍数达到5倍,并且该机构具有线性良好、高分辨率、高频响应等特点。由有限元分析得到的固有频率达到了1.8 kHz,实际测量的固有频率为1.5 kHz。     

压电叠堆泵微位移放大机构的试验研究

提出了一种应用于压电叠堆泵的微位移放大机构,该机构以压电叠堆(积层式压电微位移器)为驱动元件,通过基于三角形放大原理的柔性铰链放大机构,放大压电叠堆的输出位移.同时,设计、研制了实验装置,并在试制样机上对其静、动态特性进行了实验.实验测试结果表明,该机构具有线性良好、高分辨率和高频响应等特点.     

二级杠杆柔性铰链复合结构的双足压电直线电机

为实现精密机械装置的快速定位,增加压电直线电机中位移放大结构对压电叠堆输出位移的放大能力,提出了一种基于二级杠杆和柔性铰链复合结构的新型双足压电直线电机。首先,对电机的作动原理进行分析,推导了驱动足轨迹方程。为提高其输出性能,对直圆型柔性铰链的参数进行了优化,得到最佳铰链参数为厚度th=0.2mm、切割半径Rh=1mm和宽度bh=10mm。最后,制作了该电机样机并进行了振幅、速度和负载性能测试,基于正交试验方法对电机速度进行了分析,得出电压对电机速度的影响更灵敏。实验结果表明,驱动足Ⅰ、Ⅱ的位移振幅分别在75μm和63μm附近波动,差值约为12μm;在120V、110Hz的信号激励下速度达16.163mm/s,最大负载能力为1.7N。与现有的压电直线电机相比较,该电机结构简单,易于安装调试,具有响应快、大振幅、速度大且运行稳定的特点。     

宏/微双重驱动的新型直线电机研究

大行程、高精度,同时易于小型化的移动机构是先进制造业等领域要解决的关键问题之一,综述了现有宏/微双重驱动机构和直线超声电机的研究进展和存在问题,提出了一种宏微双重驱动新型直线压电电机,使其既能与超声电机一样,直接驱动、响应快、不受磁场干扰实现宏驱动;又能与微驱动一样,精密定位,实现微驱动,并把宏微运动结合起来,在一个电机上同时实现宏微驱动,通过有限元分析软件,计算复合振子的振动模态和静态变形,分析了宏微驱动原理,给出了宏微驱动新型直线电机驱动电源的设计方案。     

基于液压微位移放大结构的新型压电陶瓷直接驱动阀设计及仿真

研制一种基于液压微位移放大结构的压电陶瓷直接驱动伺服阀,实现大流量高频响的要求。针对压电陶瓷输出力大但输出位移小的特点,设计出一种新型的液压微位移放大结构,由柔性铰链膜片式大活塞、密闭容腔、小活塞及压力调节和测量装置构成。采用叠堆式压电陶瓷驱动大活塞,改变密闭容腔内油液的体积形态,放大小活塞端输出位移,驱动滑阀阀芯运动。大活塞采用膜片结构,降低压电陶瓷叠堆的负载,提高密封性能。针对刚性膜片刚度和强度矛盾的问题,设计柔性铰链膜片,对该膜片结构的刚度进行理论分析和数值计算验证。应用有限元方法对结构及各参数进行优化设计,并对最终结构进行刚度和强度分析。基于试制原理样机参数,建模仿真表明液压位移放大倍数9倍,阀芯位置控制误差小于1%。频宽超过550 Hz。试验测得流量曲线,7 MPa压力下,控制流量达到17 L/min。     

基于三角形和杠杆原理的柔性铰链放大机构

为克服单一的杠杆铰链放大机构的弧形位移输出和三角形铰链放大机构放大倍数小等缺陷,设计了1种综合三角形铰链与杠杆铰链结构性能优点的放大机构,理论推导了放大机构的位移放大比公式,开展了有限元仿真和实验研究。实验测试表明:当所采用的压电叠堆驱动装置驱动电压为80 V时,所设计的新型柔性铰链放大机构最大输出位移达85.36μm,放大倍数为4.5与理论值为5.40的放大倍数和有限元仿真为4.774的放大倍数相近,较理论值和仿真值误差率分别为16.67%和5.74%。新型放大机构具有较大的放大倍数和位移呈直线输出等优点。     

双足压电直线作动器结构优化与实验

为提高双足压电直线作动器的有效驱动,增强作动器中二级杠杆微位移结构和柔性铰链的放大能力,对作动器的结构参数进行优化。首先,对二级杠杆微位移机构的放大倍数进行理论计算,基于ANSYS完成作动器定子作动仿真过程;其次,通过仿真分析发现,在作动器定子中综合使用直圆型柔性铰链和直梁型柔性铰链,会使作动器定子放大倍数得到优化,最优铰链参数对应的放大倍数为8.131;最后,制作了该作动器样机并进行了定子驱动足振幅测试,两驱动足的振动相对稳定。实验结果表明,驱动足I,II的位移振幅在60和63μm的上下范围浮动,与实际相符合。与现有的压电直线作动器相比较,该作动器结构简单,易于安装调试,具有大振幅驱动和运行稳定等特点。     

基于柔性铰链的微位移放大机构设计

为了对柔性铰链进行优化设计,定义了一个新的参数并用它来讨论5种常见的柔性铰链一直梁型柔性铰链、圆角直梁型柔性铰链、椭圆型柔性铰链、抛物线型柔性铰链和双曲线型柔性铰链.首先建立了一个柔性铰链的有限元模型并用理论分析验证它的正确性.由于刚度是影响柔性铰链性能的最重要的参数,定义了一个参数λ--柔性铰链凹口处长与宽的比值.然后通过有限元分析得出5种柔性铰链刚度比值ε的曲线,并且基于此比值设计了一个压电致动器的微位移放大机构.本文的设计方法以及刚度比ε有助于我们设计这一类型的微位移放大机构.     

压电双晶片型微位移放大机构研究

介绍了以压电双晶片作为驱动元件,由三角放大机理构造的柔性铰链机构作为位移输出的微位移放大机构.通过理论计算、建模等对微位移放大机构进行设计,制作了微位移放大机构的样机,并进行了试验.对得到的测试数据进行分析,研究结果表明,采用压电材料作为精密设备的驱动元件性能良好,所研制压电双晶片型微位移放大机构原理,可推广应用到其他...     

一种微位移放大机构的设计与仿真

根据差式杠杆位移放大原理设计了一种新型微位移放大机构.计算和推导了该位移放大机构的位移放大倍数和静态刚度,分析了柔性铰链结构参数对微位移放大机构刚度的影响,并对理论计算结果和ANSYS仿真结果进行了对比.结果表明,理论计算值和有限元仿真结果之间存在一定的差异.     

钹型阵列式压电俘能器的参数优化设计与实验

基于参数优化理论,对钹型阵列式压电俘能器进行结构参数的优化设计。首先确定钹型堆叠阵列的结构形式并建立其参数化有限元模型,选择结构参数作为设计变量,并以压电陶瓷电极面上产生的电压作为目标函数。然后采用ANSYS优化设计模块中的子问题近似法,利用ANSYS的参数化语言APDL编程以实现对模型的结构优化。最后根据优化结果制作了钹型阵列式压电俘能器。实验结果表明：在外部激励不变的情况下,优化后压电俘能器产生的电压幅值提高了87%。     

高精度大口径光栅拼接装置的控制算法

采用宏/微结合双驱动的少自由度并联进给结构,给出了一种光栅拼接装置设计算法.宏动部分是5PTS-1PPS型并联机构,采用步进电机驱动滚珠丝杠形式的进给机构;微动部分是5TSP-1PPS型并联机构,采用压电陶瓷驱动柔性铰链形式的进给机构;二者串联构成光栅拼接机构.计算了宏动部分和微动部分的并联机构自由度,利用并联机构运动学的逆解推导出该装置的控制算法,并根据控制算法进行了宏动、微动机构点位控制的运动学仿真.为了提高机构的定位精度,分析了机构的系统误差并提出了误差修正方法.最后,将以上算法应用到光栅拼接装置中.实验结果表明:宏动部分最大移动定位误差为3.6 μm,最大转动定位误差为4.4 μrad;微动部分最大移动定位误差为0.06 μm,最大转动定位误差为1.2 μrad;基本满足光栅拼接系统的精度要求.     

菱形压电驱动器对称驱动形式的研究

为了提高压电堆栈的位移输出,该文设计了一种菱形压电驱动器。该机构以压电堆栈作为驱动元件,利用菱形位移放大器放大叠层压电陶瓷的输出位移。该文首先对三角放大原理进行了分析,接着对菱形压电驱动器在一端固定一端驱动负载和两端同时对称驱动负载两种不同的约束方式进行了理论分析,然后利用ANSYS软件对菱形压电驱动器的静、动态特性进行了有限元分析。通过分析结果可以得出,该机构的仿真放大倍数为6. 17,接近于机构的理论放大倍数7. 12,而对称驱动下的工作频率可远远高于一端驱动下的工作频率,并对该结果进行了进一步的分析与讨论。     

基于d15变形压电致动器动静耦合激励分析

为研制一种大行程、高精度的压电致动器,以夹心式换能为机理,提出一种基于d_(15)动静耦合激励的新型压电致动器。对比优化设计的Cymbal压电叠堆与普通压电叠堆,分析了3种致动模式:d_(31)模式、d_(33)模式和d_(15)模式。利用有限元仿真方法和相关测量试验分析了机构的位移输出量,得到在有限元仿真软件平台中,Cymbal压电叠堆能有效地将d_(15)径向变形转化为轴向变形,其d_(15)模式形变量是d_(31)模式形变量的6.35倍,是d_(33)模式形变量的1.66倍;压电致动器在d_(15)动静耦合激励下的最大位移输出量(8.78×10~(-4) m)是d_(15)静态直流激励(6.45×10~(-5) m)的13.61倍,是d_(15)谐振交流激励(7.80×10~(-4) m)的1.13倍。测量试验发现,压电致动器产生的最大输出位移随着电压的增大呈近似线性增加,当电压为100V时,压电致动器产生的最大输出位移为8.11×10~(-4) m,证明了d_(15)致动模式下动静耦合激励的可行性。     

杠杆式尺蠖压电直线驱动器

设计了一种基于尺蠖运动原理的压电直线驱动器,用于解决光学领域中的精密定位问题。该驱动器采用了对称杠杆式位移放大机构,在保证钳紧力的同时,可以获得较大的驱动位移。阐述了尺蠖式压电驱动器的工作原理,对杠杆式柔性放大机构的位移损失、压电陶瓷与柔性机构的耦合特性及箝位机构与中间驱动机构的刚度进行了分析。利用有限元软件Ansys对钳位机构和驱动机构的变形、应力、输出位移和固有频率等参数进行了仿真分析。最后,搭建了实验平台,测试了驱动器的各项性能。测试结果显示,该驱动器的行程为±25mm,钳紧力为17N,承载力为11N,最大和最小步距分别为55μm和60nm。当驱动电压为150V时,驱动器的最高驱动速度为1.259mm/s。得到的性能指标满足光学领域精密定位需要。     

一种紧凑型压电叠层直线电机驱动足的优化设计

在使用压电叠层时一般会设计防剪切机构，未设计防剪切机构时需要对驱动足结构进行仿真设计，减小压电叠层所受剪切力。为此，提出在无防剪切机构时电机驱动足的结构优化方法，并对一种紧凑型压电叠层直线压电电机驱动足进行仿真优化。通过优化把横向压电叠层输出端的旋转变形由1.333μm减小至0.061μm，纵向平移变形由1.911μm减小至0.749μm，机构的最大等效应力由253.35MPa减小至189.68MPa，显著改善了压电叠层的工作环境。提出一种并联S形弹簧机构，给出该结构的优化设计方法并进行仿真设计。仿真结果表明:该机构有较大的刚度范围，可以有效降低压电叠层所受剪切力；在相同刚度的情况下，具有弹簧宽度越大最大等效应力越小的特点。     

Cymbal型压电发电装置等效压电常数分析

压电发电工作于低频时所收集的能量与其等效压电常数和等效电压常数的乘积成正比。为了研究Cymbal型压电发电装置的等效压电常数,建立了Cymbal型压电发电装置的三维有限元分析模型,并分析得出了等效压电常数计算公式;详细地分析了Cymbal型发电装置中金属帽的材料和厚度、金属腔底端直径和顶端直径、金属腔高度、压电陶瓷片厚度等因素对等效压电常数的影响,并给出了等效压电常数的优化准则。试验结果表明,经优化后可获得的等效压电常数大约相当于压电陶瓷本身的60倍。