压电促动器的研制及其减振效果

基于压电叠堆的结构特征,设计并研制了压电促动器,确定了压电促动器的最佳预紧力;将该预紧力下的压电促动器与惯性质量块连接组成惯性式压电促动器,研究了其减振效果.结果表明:压电促动器的最佳预紧力为225 N,该预紧力下的最大输出位移为10.35μm;在压电促动器最大输出位移为10.35μm、惯性质量块质量为130 g的减振试验装置中,振动频率为50,75,100 Hz时,惯性式压电促动器均具有良好的减振效果.     

压电阻抗技术用于智能螺栓的实验研究

针对工程结构中的螺栓连接件易松动的问题,进行了基于压电阻抗技术(EMI)的螺栓松动监测实验。实验将锆钛酸铅压电陶瓷材料(PZT)直接粘贴在螺栓和螺母上,通过万能试验机对螺栓施加不同的拉力来模拟螺栓预紧力的变化,采用精密阻抗分析仪提取不同螺栓和螺母上压电材料的导纳信号,引入基于电导纳的均方根偏差(RMSD)损伤指标,建立螺栓松动程度和预紧力之间的对应关系。试验结果表明,不同型号的螺栓和螺母上安装的压电材料都可以感知预紧力的变化;得到了损伤指标(RMSD)和预紧力之间的定量对应关系;通过分析损伤指标和预紧力之间的关系可得到螺栓的松动情况,并且可直接定位松动的螺栓。研究表明基于压电阻抗技术的智能螺栓(智能螺母)可以实现松动自检测。     

应变片在减振器预紧力测试中的应用

双筒式油压减振器已经推广为世界标准减振器。减振器封口质量是保证减振器使用寿命的前提。通过对减振器预紧力测试方法进行理论分析,结合工厂实际开发的产品进行试验验证,得出了封口预紧力的测试方法。结果表明:方法简单可行,具有实际工程意义。     

基于压电阻抗频率变化的螺栓松动检测技术

针对螺栓松动问题,提出基于压电阻抗频率变化的螺栓松动监测方法。在螺栓头部安装压电材料,采用材料试验机拉伸螺栓来精确模拟螺栓所受预紧力;研究了洁净环境和油污环境中,压电材料导纳谱中的峰值频率随螺栓预紧力的变化。结果表明：随着螺栓预紧力的增大,压电导纳谱中的峰值频率降低,且两者间具有较好的线性关系;油污对测试影响较小。     

基于状态观测器的压电自感知执行器研究

压电执行器存在迟滞非线性,常需要附加位移传感器以组成闭环校正。拟用执行器自感知位移和力,省去外部传感器。对压电双晶片执行器设计了电压驱动电路,同时用积分电路获取其上电荷的复合电路。基于此电路,无外载荷下,执行器可以自感知位移;有外载荷下,采用状态观测器方法,执行器可估计自身结构位移和应力,观测器中用广义Maxwell滑动模型描述迟滞以补偿迟滞非线性。基于观测器的自感知方法避免了电桥法自感知电路阻抗不易匹配的问题。试验证明了上述方法用于压电自感知位移执行器的有效性。     

压电双晶片的能量传输特性分析

基于压电双晶片的准静态本构方程,详细地分析了准静态情况下悬臂梁式双晶片执行器在常见的三种不同载荷(力、力矩、压力)情况下的机电转换特性,即有效机电耦合系数、最大能量传输系统、最大输出机械能量时效率.分析结果表明:这些特性主要由压电双晶片材料的横向机电耦合系数k31决定;三种载荷中,以力矩形式输出机械能时压电双晶片执行器的效率最高,以力的形式输出时稍低,以压力形式(如用于推动气体或液体)输出时效率最低.这些结论对于设计压电双晶片执行器的结构具有指导意义.     

超声红外热像技术中预紧力对金属平板振动特性的影响

在超声红外热像检测过程中,超声脉冲激励下被测对象的振动状态直接决定了缺陷区域的生热效果,而工具杆与被测对象之间的预紧力是影响被测对象振动状态的重要因素之一。试验结果表明:预紧力的增大使得振动能量呈上升趋势并伴随着小范围不稳定,同时被测对象的振动频谱由混沌振动开始,经历次谐波、准次谐波后达到超谐波振动状态。针对上述现象,采用显式动力学方法建立了与试验条件相对应的有限元模型,并进行了瞬态动力学分析。模型采用压电-力类比方法来模拟压电陶瓷的逆压电效应,同时引入了动态松弛来更准确模拟试验工况。仿真结果验证了试验观察到的现象,并进一步揭示了预紧力的增大将改变超声工具杆和被测平板之间的接触力状态,从而改变被测试件的振动能量分布和振动频谱。研究成果有助于实现通过预紧力来控制被测对象振动状态,进而达到优化超声红外热像检测的目的。     

多螺栓连接结构预紧力实验研究

开展多螺栓连接结构预紧力实验研究,获得了其在纯拧紧力矩作用下的预紧力及其响应规律。研究采用应变片测试方法,首先对单螺栓连接结构进行了预紧力实验,获得了不同拧紧力矩条件下螺杆上的轴向应变、轴向应力及预紧力,并通过与经验公式计算结果比较,验证了预紧力测试方法的合理性。在此基础上,开展了多螺栓连接结构预紧力实验研究。为比较相同拧紧力矩条件下,多螺栓连接结构与单螺栓连接结构预紧力水平间的差异,定义了预紧力比例因子K_(pro)。实验结果表明,由于螺栓组内部各螺栓间的相互影响,其预紧力水平明显低于单螺栓结构,并与螺栓拧紧状态相关。就本文所采用的多螺栓连接结构而言,在拧紧力矩较低、螺栓尚未完全拧紧时,K_(pro)为0.7~0.8,其预紧力水平为单螺栓结构的0.7~0.8倍;当拧紧力矩较高、螺栓处于稳定的拧紧状态时,K_(pr)为0.6左右,其预紧力约为单螺栓结构的0.6倍。     

关于轴承预紧力对轴系性能影响的仿真分析

高性能电主轴包括电机驱动与控制系统、主轴轴承系统、润滑与冷却系统、轴承预紧系统等多种重要部件,其中轴承预紧力技术是电主轴的关键技术之一.论文对不同预紧力下的主轴轴承刚度进行了理论计算,并对不同轴承预紧力下的主轴轴承系统进行了模态和谐响应分析.结果表明;随着轴承预紧力的增加,轴承刚度逐渐增大,轴系固有频率逐渐增大,主轴前端和后端径向响应位移逐渐减小,主轴中间径向响应位移则逐渐增大.     

基于多次压电效应的微执行器

基于多次压电效应理论提出一种有别于传统压电执行器驱动方式的微执行器,且可实现弹性位移与多次逆压电位移的两级定位功能.详细地分析了基于多次压电效应的微执行器的原理,并采用PZT-5压电陶瓷叠堆进行实验,通过改变压电叠堆的边界条件得到了基于多次压电效应的微执行器的位移量,实验结果表明该微执行器产生的弹性位移、多次逆压电位移及总位移均与所施加外力具有较好的线性关系.实验结果不仅验证了理论分析的正确性,而且证明了基于多次压电效应的微执行器的可行性,同时,通过实验间接地量化出PZT-5的二次逆压电系数约为9.46×10-12m2/N.多次压电效应研究为压电执行器的设计提供了一条新途径.     

压电旋转驱动器制作及性能测试

提出了通过控制正压力来改变摩擦力的方案,进而研制了一种以压电叠堆为动力转换元件的新型压电旋转驱动器。采用两个驱动用压电叠堆对称布置的方式设计了该旋转驱动器结构,探讨了旋转驱动器运动机理,制作了压电旋转驱动器试验样机并对其进行了试验测试。试验结果表明,该驱动器输出步长线性度较好,当驱动电压为10 V、频率为2 Hz时,驱动器旋转步长为20 μrad。分析了驱动器输出稳定性,针对存在的问题提出通过施加控制系统来有效提高不同起始位置驱动器的运动稳定性。对试验结果进行误差分析,找出了产生误差的原因,为驱动器的进一步优化设计提供了参考。研究证明了该压电旋转驱动器设计方法的可行性,利用该方法可以制作出结构简单,体积小,适合在微驱动领域中应用的驱动器。     

Dynamic modelling of a flexure-based mechanism for ultra-precision grinding operation

This paper presents the dynamic modelling and performance evaluation methodologies of a flexure-base mechanism for ultra-precision grinding operation. The mechanical design of the mechanism is briefly described. A piezoelectric actuator is utilized to drive the moving platform. A flexure-based structure is utilized to guide the moving platform and to provide preload for the piezoelectric actuator. By simplifying the Hertzian contact as a linear spring and damping component, a bilinear dynamic model is developed to investigate the dynamic characteristics of the flexure-based mechanism. Based on the established model, the separation phenomenon between the moving platform and the piezoelectric actuator is analyzed. The influences of the control voltage and the preload stiffness on the maximum overshoot are extensively investigated. The slope and cycloidal command signals are utilized to reduce and/or avoid the overshoot of such flexure-based mechanism for rapid positioning. The effects of the rising time of the command signals on the maximum overshoot and the settling time are also explored. Experiments are performed to verify the established dynamic model and the performance of the developed flexure-based mechanism.     

预压力对压电驱动履带移动系统的性能影响

为了提高夹心式压电驱动移动系统的机械输出性能，提出了一种U型预压力调节机构，并开展了预压力对夹心式压电驱动履带移动系统输出性能影响关系的实验研究。首先，针对U型预压力调节机构的安装对夹心式压电振子的振动特性影响关系开展了有限元仿真分析，发现U型预压力调节机构始终处在夹心式压电振子的两相工作模态振动节点位置；其次，开展了夹心式压电驱动履带移动系统的原理样机的预压力调节测试实验，确定了系统的最大输出牵引力及其所对应的最佳预压力；最后，在最佳预压力工作状态下，开展了原理样机的牵引力特性、越障性能以及模拟月壤环境下的运动特性实验。研究结果表明，在最佳预压力工作状态下，夹心式压电驱动履带移动系统的机械输出性能最佳，为其进一步在月面巡视器上的应用提供了技术支持和试验基础。     

超声切割用压电换能器理论设计及有限元仿真

基于波动方程和频率方程,建立了电镀金刚石线锯超声切割用压电换能器的解析模型,得到了压电换能器各组成部分的结构尺寸。借助有限元分析软件ANSYS对理论设计的压电换能器进行了动力学分析和优化设计,得到了压电换能器的优化模型。分析结果表明,有限元法对压电换能器的设计和分析具有很好的指导作用。这种换能器具有良好的性能,对下一步的应用研究有重要意义。     

新型压电步进型精密直线驱动器

以压电叠堆为驱动元件,设计了新型的步进型精密直线驱动器。驱动器由于设计了独特的双侧对称箝位结构,可以利用精调斜块准确调整箝位面与动子的配合间隙,同时采用整体加工的柔性结构,保证了工作的稳定性和准确性。应用有限元分析方法对步进型精密直线驱动器进行了力学分析,并进行了大量的试验研究。试验测试结果表明:驱动器的分辨率达到40 nm、行程18 mm、驱动速度达到6 mm/min,可牵引150 g的载荷。     

A flexure-based mechanism and control methodology for ultra-precision turning operation

This paper presents the methodology for modeling and control of a high precision flexure-based mechanism for ultra-precision turning operation. A high performance piezoelectric actuator is used to driven the flexure-based mechanism. A parallel flexure hinge mechanism is utilized to guide the moving platform and to preload the piezoelectric actuator. A high resolution capacitive sensor is used to measure the displacement of the flexure-based mechanism for closed-loop control. With consideration of the driving circuit, the dynamic model of the flexure-based mechanism has been established. The effect of the driving circuit on the dynamic response of the precision mechanism is investigated. Experimental tests have been carried out to verify the established model and the performance of the flexure-based mechanism.     

Sliding mode control of the inchworm displacement with hysteresis compensation

This paper proposes a new modeling scheme to describe the hysteresis and the preload characteristics of piezoelectric stack actuators in the inchworm. From the analysis of piezoelectric stack actuator behavior, the hysteresis can be described by the functions of a maximum input voltage and the preload. The dynamic characteristics are also identified by the frequency domain modeling technique based on the experimental data. The hysteresis is compensated by the inverse hysteresis model for precise control of inchworm displacement. Since the dynamic stiffness of an inchworm is generally low compared to its driving condition, the mechanical vibration may degrade accuracy of the inchworm. Therefore, the SMC (Sliding Mode Control) and the Kalman filter are developed for the motion control of the inchworm. The feasibility of the proposed modeling scheme and the control algorithm is tested and verified experimentally.     

基于压电作动器的直线电机及其高效驱动

由于传统的压电作动器驱动易造成严重发热、波形欠佳以及处理速度要求较高等问题,本文提出了一种新型的基于压电作动器的非共振型直线电机及其驱动方式.为满足作动器大容性负载特性及其驱动器对高频率的需求,通过电路匹配分析,提出了直流升压变换器和谐振变换的驱动方案,设计了偏压电路使输出驱动波形满足作动器驱动电压的要求.采用傅里叶变...     

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。     

新型直动式压电伺服阀

提出一种新型压电驱动单级电液伺服阀,其特点是可以提供比传统电磁式电液伺服阀更高的频宽与分辨率,而且结构紧凑、抗污染能力强。该阀采用大行程的压电叠堆(积层式压电驱动器)作为驱动元件直接驱动滑阀,通过基于弹性变形原理的弹性板机构,结合电阻应变式微位移传感器,实现机构及检测一体化。应用有限元法对弹性板机构进行分析优化,试制了直动式压电伺服阀样机并对样机进行了试验研究,得出该阀的频宽约为1 kHz。新型伺服阀可以应用于振动试验台、疲劳试验台及需要快速反应的流体控制系统中,提高系统的响应特性。