光栅计量型的垂直扫描位移工作台及其误差分析

为满足精密测量中垂直扫描白光干涉以及千分表、电感位移传感器、表面粗糙度触针位移传感器标定对垂直方向的高精度定位和高分辨率运动要求,研制出一种纳米级垂直扫描位移工作台.该工作台采用柔性铰链结构,压电陶瓷驱动位移,满足纳米级微位移驱动要求,同时利用两级杠杆放大结构,扩大了位移行程.针对压电陶瓷驱动的位移随电压变化的非线性特点,利用衍射光栅对压电驱动进行实时监控,对这种非线性误差进行实时补偿.衍射光栅固定在工作台的微定位板上,工作台的移动量可由衍射光栅二次衍射干涉后产生的条纹变化得到.根据衍射光栅的计量特点,分析垂直扫描位移工作台测量误差的主要影响因素.通过试验验证,优化系统误差,进一步提高了垂直扫描位移工作台的定位精度.     

柔性对称微位移放大机构的分析与仿真

柔性铰链微位移放大机构在精密机械中的应用日益广泛.依据卡氏第二定理,采用基于柔度的静力学分析方法对柔性机构的运动特性进行分析,给出了机构中任意节点处位移的计算式.在此基础上,对柔性对称微位移放大机构进行了分析,建立了微位移放大机构输入、输出位移及其放大比求解的数学模型.利用所建立的模型,采用MATLAB编程对柔性对称微...     

压电柔顺x-y微夹持器的设计与分析EI北大核心CSCD

针对微操作和微装配领域对微夹持器高位移放大比、多自由度和平动夹持的性能需求,采用双叶型桥式机构和平行四边形机构,设计了一种压电柔顺x-y微夹持器。利用有限元法建立了微夹持器的静力学与动力学模型,并通过ANSYS Workbench软件分析微夹持器的位移放大比、固有频率和输出耦合比。最后,搭建试验测试系统验证微夹持器的开环性能。试验结果表明:微夹持器x,y向的位移放大比分别为30.8和8.6,一阶固有频率为123.3 Hz;当施加10μm输入位移时,微夹持器x,y向的工作行程分别为0~616.6μm和0~51.0μm,夹持力范围为0~25.8 mN;微夹持器x,y向位移放大比与一阶固有频率的实验测试和仿真数值之间的相对误差分别为17.9%,19.8%,13.9%。试验结果验证了该理论模型和仿真分析的可行性。     

压电陶瓷驱动器菱形位移放大机构的动态应变测量

为监测压电陶瓷驱动器并联驱动时各自的动态输出状态,利用压电陶瓷驱动器中位移放大机构的菱形对称结构建立全桥应变测量方法,通过位移放大机构菱边在振动过程中的动态应变变化来反映压电陶瓷驱动器的工作状态。对不同状态下位移放大机构菱边的动态应变进行实验研究,结果表明:利用位移放大机构对称菱边建立的全桥应变测量方法能够有效获取位移放大机构在振动过程中的动态应变变化,且能够对位移放大机构的运行状态进行实时监测,在带负载和不带负载情况下,设计的位移放大机构菱边在振动过程中的应变量级都在几个微应变,该测量结果也反映出设计的位移放大机构刚度较好,能够保证压电陶瓷驱动器有较好的输出性能。     

柔性对称微位移放大机构性能分析方法的研究

柔性铰链微位移放大机构的性能分析,通常采用柔度静力学分析方法,该方法分析过程复杂,柔度计算量大.为此,提出一种新的分析方法,将柔性铰链转换为刚性铰链并在其上加一等效刚度系数为k的扭簧,采用虚功原理对机构进行分析求解,推导出微位移放大机构输入位移、输出位移的计算式,进而求得机构的放大比.采用上述方法对柔性八杆对称微位移放大机构进行性能分析,将所得的分析结果与柔度静力学分析法、有限元分析法的分析结果进行对比,三者具有很好的一致性,验证了该方法的正确性.该方法充分利用了机构的对称性,使得分析求解过程得到了很大程度的简化.     

压电叠堆位移放大致动器的动态特性

为了准确掌握压电叠堆位移放大致动器的动态特性,本文利用谐响应分析、阻抗测试法和动态投影栅线法对其进行分析研究。首先,使用ANSYS分析软件对放大机构的模态和位移随频率变化情况进行有限元分析。然后,运用压电陶瓷的阻抗测试法,对这一压电致动器的阻抗特性进行测量分析。最后通过动态投影栅线法对压电致动器的通放电位移状况进行测量分析。实验结果表明：位移放大机构的谐响应频率为1724Hz,能提供较大的输出力矩;压电致动器的谐振频率为8.3KHz左右,反谐振频率为8.75KHz左右,它的工作最快响应时间在0.3ms以内;它能在0.5ms内完成位移的突变,位移波动小于5um,且位移量随电压值呈线性变化;放电时的动态位移过程平稳。因此,这一压电致动器具有响应速度快,位移波动小、线性度好、精度高,输出力矩大等较好的动态响应特性,能被广泛应用于各种需要响应快、精度高、位移大的微位移控制驱动系统中,其应用前景值得期待。     

一种非对称式压电驱动微夹持器

针对微管类(直径0~300μm)零件的夹持需求,基于有限元分析设计了一种非对称式压电驱动的微夹持器.该微夹持器采用柔性铰链实现压电陶瓷输出位移的传递和放大.采用平行四杆机构实现夹钳末端的平行移动.通过检测柔性铰链处应变的方法,间接地测量夹持力和位移信息.微夹持器的实验特性显示位移的放大倍率为5.6倍,夹持器末端夹钳可以实现平行移动.力和位移标定实验中显示夹持力的分辨力在2.41 m N,位移的分辨力在0.22μm,且力/位移与应变具有很好的线性关系.采用增量式PID的控制算法对系统进行力/位移的闭环控制.以微型玻璃管(直径150μm)夹持为例,系统的阶跃响应实验显示,系统的力/位移控制可以实现无超调.实验结果表明增量式PID控制算法可以实现对本微夹持器力/位移的准确、稳定控制.     

单级柔顺正交位移放大机构非线性建模与优化

同时实现操作的灵活性与稳定性是精密工程领域的研究热点。单级柔顺正交位移放大机构可通过正交位移转换实现平行夹持,并通过位移放大提高操作的灵活性,但该机构的传统建模方法主要基于小变形假定并忽略剪切作用,导致模型精度较低。为此,对典型的单力输入单级柔顺正交位移放大机构进行精确的非线性建模与优化。考虑到剪切作用与几何非线性因素,对单级柔顺正交位移放大机构输出位移进行两步法半解析建模,以实现非线性结果的快速预测。第1步,基于能量法与欧拉-伯努利梁理论,建立该机构输出位移的线弹性解析模型,并结合小变形静力学有限元分析,拟合剪切非线性修正系数;第2步,结合几何非线性静力学有限元分析与数值拟合,建立该机构输出位移的几何非线性修正系数模型。为最大化输出位移并抑制几何非线性作用,提出机构平面尺寸和厚度综合优化策略,并利用ANSYS Workbench有限元仿真验证了机构输出位移非线性模型与优化结果的有效性。仿真结果显示,机构输出位移非线性模型的误差小于5%,且可依据不同优化策略显著增大输出位移或将几何非线性程度约束于指定范围内。研究表明利用所提出的方法对单级柔顺正交位移放大机构进行非线性建模与优化,可有效提高压电驱动柔顺微夹钳的位移输出性能与开环控制的精度和实时性,有利于实现稳定灵活的微操作。     

大位移压电陶瓷驱动器的设计与试验

针对大位移压电陶瓷驱动器，研究了压电陶瓷双晶片的驱动效能。基于压电陶瓷材料的逆压电效应，应用压电陶瓷双晶片在机械自由、电学短路状态下，一片加正向电压缩短另一片加反向电压伸长共同作用产生弯曲变形，通过组合设计将压电陶瓷双晶片的弯曲变形位移叠加起来，实现了压电陶瓷驱动器的大位移输出。在相同电压的条件下，此压电陶瓷驱动器的输出位移量比叠层驱动器有较大的增加，达200μm，结构尺寸也大大减小。该驱动器不需要位移放大机构，可直接应用于有大位移要求的机构驱动。     

四自由度压电微夹钳的结构设计及尺寸参数优化

为提高微夹钳操作微对象时的灵活性,探索四自由度压电微夹钳的实现问题,将制成相应形状并分割驱动电极的两片压电陶瓷晶片进行粘结,制作出微夹钳,并将两组空间垂直交叉的横向逆压电效应作用于钳指上,使单个钳指产生夹持方向和垂直于夹持方向的微位移,从而使整个微夹钳(两个钳指)具有4个自由度.在综合考虑微夹钳输出位移、固有频率、制作工艺的情况下,采用有限元分析方法,对钳指长度、宽度、厚度进行了优化,对优化后微夹钳的输出位移和振型进行了分析.对微夹钳的输出位移进行了测试,结果表明:在60 V的最高驱动电压作用下,左、右两钳指沿夹持方向的最大位移分别为25.6μm、24.3μm,沿垂直于夹持方向的最大位移分别为32.1μm、30.9μm;两钳指的输出位移具有良好的重复性.     

压电陶瓷驱动的精密微操作平台特性与优化

设计一种结构紧凑、具有大运动空间和响应快的微操作平台,并对其静态和动态特性进行分析和优化.利用杠杆机构和连杆机构设计一种能实现两级放大的微操作平台,结构对称地设计在同一平面,并采用导向机构实现精确的导向运动.利用功能原理,采用伪刚体方法建立反映平台的静态和动态特性封闭形式的理论模型.由理论模型与有限元分析的结果比较分析可知,两者所得的结果误差范围为6.0%~7.2%,说明所推导模型的正确性.基于理论模型分析构型参数和柔性铰链尺寸参数对放大倍数、输出刚度、应力和固有频率的影响.结果表明,结构参数变化对输出刚度与固有频率的影响是矛盾的,对放大倍数和应力的影响也相互矛盾,需要通过优化结构参数以综合平衡其性能指标.提出一种以综合平衡平台的静态和动态特性为目标,并考虑应力、放大倍数和几何尺寸为约束的优化模型.结果表明优化后的固有频率和放大倍数比优化前均提高,而输出刚度降低,说明优化后的平台性能更好.     

基于二级杠杆机构的二自由度微定位平台设计与分析

针对由压电陶瓷驱动的微定位平台工作行程不足的问题，设计了一种基于二级杠杆机构的二自由度微定位平台。考虑到不同柔性铰链的物理特性，通过差异化的铰链组合方式来优化新型二自由度微定位平台的性能，使其具有较快响应速度和大范围输出位移。基于拉格朗日定理，构建了新型二自由度微定位平台的刚度模型，并推导了其固有频率的解析表达式。有限元仿真结果表明，该二自由度微定位平台刚度模型的误差较小，验证了刚度建模方法的准确性和可靠性。研究结果可为柔性精密微定位平台的构型设计和建模分析提供一定的理论指导。     

基于MEMS工艺制造的阀芯阀座密封副的压电阀门

为了提高压电阀门的流量和动态性能,使其适用于微推进系统,本文研究了一种基于MEMS工艺制造的阀芯阀座密封副的压电阀门.采用MEMS工艺制作了硅片阀芯阀座,使阀门整体结构简单紧凑,获得了良好的密封效果(在阀门入口气压为1 MPa的情况下泄漏率小于0.001 mL/min),并使阀门达到了较大的流量.在入口气压大于0.4MPa,压电堆所施加的电压为200 V时,阀门流量均超过3 000 mL/min,满足微推进系统的要求,避免了位移放大机构.在阀门的驱动部分,设计了一种新型的柔性铰链机构,其中的"T"形架实现了阀门的常闭功能,"双弹簧"结构实现了对密封副和压电堆的同时预紧,保证了阀门具备较好的动态性能.     

考虑三维圆柱铰间隙碰撞的空间机构柔性多体动力学分析方法

三维圆柱铰的动态性能对空间机构的运动精度和动力学特性有着重要的影响。基于多体动力学方法和刚体有限元方法,提出考虑三维圆柱铰的间隙碰撞和动态接触作用的空间机构柔性多体接触动力学方法。采用圆柱-圆柱的线接触力学模型和切片法,计算圆柱-圆柱的接触变形量和接触力,建立三维圆柱铰的轴销与轴套之间的间隙碰撞作用和三维动态接触关系。以等效刚体单元和Timoshenko梁单元描述柔性杆件的刚性有限元模型,建立柔性连杆和三维圆柱铰的具有多刚体系统的统一形式的动力学方程。计算分析了含三维圆柱铰的空间机构的运动精度和动力学特性,获得空间机构的位移响应,三维圆柱铰的相对运动轨迹和动态作用力等动力学响应。采用三维圆柱-圆柱动态线接触方法,能有效地预测空间机构系统的三维圆柱铰持续接触、间隙碰撞状态和摩擦作用下的动力学特性。计算结果表明三维圆柱铰的间隙碰撞作用对空间机构的运动精度和动态特性的影响较为显著。动力学模型和计算结果对复杂工况下高精度多间隙的空间机构的动态设计和动力学研究具有重要的理论意义。     

两段式液压机械无级传动机构运动特性研究

两段式液压机械无级传动能够实现大传动比、宽传动范围的无级变速,并且可以降低液压元件的额定功率,提高全程的传动效率.该传动机构的运动特性关系着整车工作模式的设定及其性能的发挥.分析了液压机械无级传动机构分矩汇速型、分速汇速型和分速汇矩型三种类型的分汇流形式.利用杠杆法分析了外力构件位置对机械点分布、液压元件正反相位和功率...     

三自由度并联包装机构动力学建模与分析

目的为了提高一种三自由度并联包装机构动态性能,对其进行动力学建模与仿真研究。方法首先建立机构三维模型并进行位置反解计算,而后应用凯恩法列出动力学方程。在对支链模态分析基础上依托多体动力学仿真软件ADAMS与有限元软件Ansys,将各连接杆件由刚体转换为柔性体进行刚柔耦合动力学分析。结果通过动力学建模求得了驱动杆在广义坐标下的驱动力。由模态分析求得支链的第1阶到第6阶固有频率分别为88.656,108.95,119.96,125.33,131.07,138.77 Hz,以及机构在各个阶次下的振型。得到了机构动平台质心运动位移、速度、加速度,以及关节驱动力、力矩变化曲线。结论并联包装机构中刚度薄弱环节位于球铰连接两端,在各阶模态振型中,振动相对位移较大位置位于动平台和支链中部滑块;连接杆件会对动平台运动性能、关节驱动力产生一定的影响。分析结果为并联机构进一步优化提供了理论依据。     

Design and multi-objective optimization for a broad self-amplified 2-DOF monolithic mechanism

This paper proposes a structural design and multi-objective optimization of a two-degree-of-freedom (DOF) monolithic mechanism. The mechanism is designed based on compliant mechanism with flexure hinge and is compact in size (126 mm by 107 mm). Unlike traditional one-lever mechanisms, a new double-lever mechanism is developed to increase the working travel amplification ratio of the monolithic mechanism. The ideal amplification ratio, the working travel, the statics and the dynamics of the mechanism are taken into consideration. The effects of design variables on the output responses such as the displacement and first natural frequency are investigated via finite-element analysis based on response surface methodology. The fuzzy-logic-based Taguchi method is then used to simultaneously optimize the displacement and the first natural frequency. Experimental validations are conducted to verify the optimal results, which are compared to those of the original design. On using a finite-element method, the validation results indicated that the displacement and frequency are enhanced by up to 12.47% and 33.27%, respectively, over those of the original design. The experiment results are in a good agreement with the simulations. It also revealed that the developed fuzzy-logic-based Taguchi method is an effectively systematic reasoning approach for optimizing the multiple quality characteristics of compliant mechanisms. It was noted that the working travel/displacement of the double-lever mechanism is much larger than that of the traditional one-lever mechanism. It leads to the conclusion that the proposed mechanism has good performances for manipulations and positioning systems.     

Dynamic buckling of a laminated composite stringer–stiffened cylindrical panel

The present study deals with the “dynamic buckling” of a laminated composite stringer–stiffened curved panel. The “dynamic buckling”, in the present study, is concerned with the unbounded lateral response of the panel, which is subjected to an axial impact load.In reinforced panels with widely spaced adequately stiff stringers, the structure may pass through two major states before its total collapse: buckling of the panel skin between stiffeners and buckling of the stiffeners themselves. This study focuses on the lowest buckling load of the stringer–stiffened panel, which is, buckling of the panel skin between stiffeners.The analysis of the laminated composite stringer–stiffened cylindrical panel was performed by using the commercial ANSYS finite element software. The model simulates the structure and its associated boundary conditions. The boundary conditions simulate the stringer–stiffened cylindrical panel as a part of a fuselage. The static buckling analysis was performed using the eigenvalue buckling approach to determine the static critical load. Modal analysis was used to calculate the first natural frequency and corresponding mode shape of the structure. Nonlinear transient dynamic analysis was used to determine the dynamic critical load. In the transient dynamic analysis the Newmark method with the Newton–Raphson scheme were used.In the present study, the equation of motion approach was applied. By this approach, the equations of motion were numerically solved for various load parameter values (loading amplitude and loading duration) to obtain the system response. Special attention was given to the neighborhood of loading durations corresponding to the period of the lowest bending frequency of the skin.For each load duration, the dynamic buckling load was calculated using a load versus lateral displacement curve generated by the ANSYS code.The results were plotted on a dynamic load amplification factor (DLF) graph. The DLF is defined, as the ratio of the dynamic buckling to the static buckling of the panel. For loading periods in the neighborhood of the lowest natural frequency of the panel, the DLF was less than unity. It means that, for those particular loading periods, the dynamic buckling load is lower than the static one.     

Spherical-symmetric steady-state response of fluid-filled laminate piezoelectric spherical shell under external excitation

Summary Spherical-symmetric steady-state response problem of a fluid-filled piezoelectric spherical shell is discussed in the paper. In the absence of body force and free charges, the general solutions of mechanical displacement, stresses, strains, potential and electric displacement are derived from constitutive relations, geometric and motion equations under external excitation (i.e., applied surface traction and potential) in spherical coordinate system. As an application of the general solutions, the problem of a fluid-filled elastic spherical shell with piezoelectric actuator and sensor layers was solved. The results could provide theoretical basis for the spherical-symmetric dynamic control problem of fluid-structure coupling piezoelectric intelligent structure. Furthermore, the solutions can serve as reference for the research on the control of general fluid-structure dynamic problems.     

新型智能隔振复合结构的动态特性研究

针对精密机械的微位移隔振问题,设计了一种以PVDF压电薄膜为作动器和传感器的新型智能隔振复合结构。根据压电方程推导出了层叠式PVDF压电薄膜作动器厚度变形量表达式,建立了该智能复合结构的隔振理论模型,采用LMS自适应控制算法,以Matlab和有限元混合建模分析方式对本智能隔振复合结构的动态特性进行研究。有限元模型的分析结果与Matlab计算数据一致,验证了本新型智能隔振复合结构对微位移隔振的有效性,其结论将为精密仪器、微纳米设备的微位移智能主动隔振奠定理论基础。