新型惯性压电驱动机构的设计与初步实现

提出通过机械方式控制压电驱动机构和支撑面之间摩擦力的有序变化，形成有规律的新型惯性压电驱动机构．分析了机构的运动机理，建立了动力学模型，利用Matlab对机构进行了运动学仿真，设计并制作了驱动机构样机，对驱动机构动态特性进行了仿真分析和试验对比研究．两者结果吻合较好，表明采用简单的对称波形信号能驱动机构运动，直线驱动器最高速度可达1mm／s，最高步长分辨率为20nm，最大承载能力为1000g．     

摩擦系数变化式压电叠堆惯性直线驱动器

以压电叠堆和质量块组成的压电叠堆振子为动力元件,通过利用驱动器向左运动和向右运动时接触足与接触面摩擦系数的不同,设计并制作完成了一套摩擦系数变化式压电叠堆惯性直线驱动器．分析了该驱动器的工作原理并对驱动器的运动情况作了详细分析．搭建了专用测试系统,并采用该系统对摩擦系数变化式压电叠堆惯性直线驱动器进行了性能测试．试验结果表明：当频率为10Hz时,该试验装置最小稳定步长为0．19μm,最大移动速度为11．82μm／s,最大承载能力不低于900g．     

旋转式惯性压电电机的振子模型研究

提出了一种新型旋转式压电惯性电机,利用压电双晶片振子作为驱动元件,用锯齿波作为激励电信号产生惯性冲击力使电机旋转。分析了旋转式压电惯性电机的驱动机理,建立了压电振子的动力学模型,求解了振子的自由振动固有频率和模态函数。分析了影响压电振子固有频率的系统参数及其影响规律。计算结果表明梁端部模态函数值与质量系数α的值成反比。这些结论为压电惯性电机的设计和进一步的研究提出了新的思路和方法。     

新型旋转式压电惯性电机振子的冲击振动分析

新型旋转式压电惯性电机,是一种利用压电双晶片振子作为驱动元件,利用锯齿波作为激励电信号产生惯性冲击力的旋转电机。本文研究压电惯性电机振子在pzt元件激励下的冲击受迫响应。推导出了压电陶瓷片两端电压响应方程,以及压电振子梁的冲击受迫响应方程。分析了激励信号频率对振子梁端部响应的影响规律。同时,分析了不同激励信号占空比情况下振子梁端部响应变化规律,以及结构参数对电机驱动力矩的影响规律。分析了提高电机驱动力矩的有效途径。     

一种用于非圆异形孔加工的电磁驱动机构及控制方法研究

研究了用于非圆异形孔加工的电磁驱动机构及控制方法。为了对镗杆施加径向随动作用力,研制了由电磁定子和电磁转子组成的回转式电磁驱动机构。当改变定子线圈中的控制电流时,可以改变电磁定子与电磁转子之间的电磁驱动力,进而带动镗刀做径向微位移。通过电磁驱动力在静态工作点附近的线性化,建立了电磁驱动力与控制电流之间的线性关系,分析了实现电磁驱动力同步控制的方法。对电磁驱动机构进行了动态模拟试验,试验结果表明,随着转子的转动,在转子与定子之间可以形成一个同步旋转的电磁驱动力,实现镗杆中心的径向可控微位移。因此采用本文提出的回转式电磁驱动机构加工非圆异形孔是可行的。     

新颖微型压电旋转关节的建模与仿真

提出一种基于惯性冲击驱动原理的新颖微型压电旋转关节,用于关节臂式多自由度定位操作系统的旋转关节驱动.该旋转关节采用对称的整体结构设计,利用压电堆产生驱动力矩,通过碟形弹簧调整预紧力,具有运行稳定、驱动力矩大、易于微型化等优点.建立了该机构驱动模块的结构模型,运用ANSYS软件分析了定子结构的静态变形和固有振动特性;建立了该机构的动力学模型,应用MATLAB/Simulink软件获得了旋转轴的粘滑运动和步进位移特性.仿真结果表明,该压电旋转关节具有较好的步进位移输出能力和较宽工作频率范围,在1 000 V/mm激励电场下,步进位移达到0.07°,稳定的粘滑工作频率达到1 000 Hz以上.     

一种新型水下球形机器人的旋转运动分析

以水下球形机器人BYSQ-2为研究对象,忽略水阻力矩对其球壳旋转的影响,分三种情形研究了配重转动时球壳的运动特性,并用Kane方法建立了动力学模型。在MATLAB中对所建立的动力学模型进行了仿真,仿真结果显示的球壳的旋转规律和运动特点如下:当短轴电机驱动时,球壳会向与配重旋转方向相反的方向旋转;当长轴电机驱动时,球壳的旋转不会改变推进器的推进方向,短轴的姿态会随着配重的旋转改变;短轴电机和长轴电机同时驱动,控制调节力矩输入,可使推进器的推进方向调节到任意方向。这些结果可作为进一步研究BYSQ-2的水下运动控制的理论基础。     

多向驱动电动牙刷设计

本设计所提供的是一种具有旋转运动与径向直线运动,并且可以更换牙刷头的电动牙刷。通过其控制开关的调控,可实现3种不同的工作状态,即单一双向旋转运动、单一径向直线运动、双向旋转及径向直线同步运动。其原理是通过电机驱动偏心曲柄滑块机构来实现径向直线运动;通过单个电机驱动带动牙刷头旋转实现旋转运动。并通过机械动力学仿真软件ADAMS、Solid Works进行仿真设计确实可行,且其设计前身技术已经获得国家实用新型专利授权认证,专利号:ZL 2014 2 0673358.6。     

一种新型位移与角度同时测量系统的设计

为了消除悬臂梁移动时产生的阿贝偏角误差,设计了一种可同时测量角度与位移的精密测量系统．首先,在激光干涉原理的基础上,通过改变光路将角度转换为可以反映干涉系统中光程差变化的位移量．其次,采用压电陶瓷（PZT）驱动柔性铰链机构,产生运动的干涉条纹．最后,采用四细分条纹计数辨向方法,进行运动干涉条纹的接收与处理实验,结果表明：在条纹宽度处于合适值时,系统满足了对阿贝偏角精密测量的要求．     

振动辅助磨削——压电平台的设计与制造

旨在研究振动辅助磨削．首先综述了用于不同条件下的振动辅助磨削以及利用振动辅助抑制砂轮堵塞的现象．还论述了振动辅助磨削的优点，例如降低磨削力和磨削温度，提高磨削效率和工件质量等．为了实现振动辅助磨削，设计和制造了一个由平行四连杆机构和压电驱动元件组成的压电平台，并且使用该压电平台进行了陶瓷材料的振动磨削实验．给出了振动磨削实验的初步结果并对结果进行了讨论．     

电磁辅助压电致动器设计开发与性能测试研究

传统的压电致动器,受限于压电致动的小行程,通常只能测量较小的范围。研发了一种电磁辅助压电致动器,同时具备电磁式致动器长行程与压电式致动器高分辨率的特点,该致动器包含可动件、导引槽、挠性件、电磁铁、压电元件以及控制电路。首先调整挠性可调预压装置并设定电磁铁电流,使得电磁致动力处于最大静摩擦力与动摩擦力之间;再利用压电组件所产生的微震动,控制可动件与导引槽之间的接触情况在静摩擦与动摩擦之间切换,从而完成长行程(10mm)且高分辨率(1.5μm)的往复运动。实验结果表明该致动器具备出色的定位能力。     

Analysis of a disk-type piezoelectric ultrasonic motor using impedance matrices

The dynamic behavior and the performance characteristics of the disk-type traveling wave piezoelectric ultrasonic motors (USM) are analyzed using impedance matrices. The stator is divided into three coupled subsystems: an inner metal disk, a piezoelectric annular actuator with segmented electrodes, and an outer metal disk with teeth. The effects of both shear deformation and rotary inertia are taken into account in deriving an impedance matrix for the piezoelectric actuator. The impedance matrices for each subsystem then are combined into a global impedance matrix using continuity conditions at the interfaces. A comparison is made between the impedance matrix model and the three-dimensional finite element model of the piezoelectric stator, obtaining the resonance and antiresonance frequencies and the effective electromechanical coupling factors versus circumferential mode numbers. Using the calculated resonance frequency and the vibration modes for the stator and a brush model with the Coulomb friction for the stator and rotor contact, stall torque, and no-load speed versus excitation frequencies are calculated at different preloads. Performance characteristics such as speed-torque curve and the output efficiency of the USM also are estimated using the current impedance matrix and the contact model. The present impedance model can be shown to be very effective in the design of the USM.     

考虑驱动和负载状态的三自由度超声电机接触模型研究

建立了一种考虑不同运转情况的对于三定子多自由度超声电机的接触模型。介绍了三自由度超声电机的基本原理和结构并计算得出了其驱动转矩,引入Hertz接触理论和Mindlin理论对摩擦情况进行分析,考虑了摩擦因数的动态非线性和摩擦力分布的非线性变化,提出了一种新型的接触模型,改进了传统的线性摩擦模型;通过转矩关系和摩擦模型对电机不同运动情况下摩擦力分布进行分析,并用Matlab绘制相应的摩擦力分布图。分析结果验证了三自由度超声电机合理性,说明了三相压电定子接触状态根据驱动情况和负载而定,为进一步的优化设计和性能改进奠定了基础。     

空分复用压电自感知执行器执行与传感效果研究

结构振动主动控制可以采用压电自感知执行器。空分复用解耦方法是实现压电自感知执行器的一种新方法，实质是采用几何方法解耦，即将压电片的一个完整电极分割为执行区和传感区以实现自感知。本文以悬臂梁为对象，以涡流位移计作为标准传感器，对两种电极分割方式的压电片的传感和执行效果进行了实验研究。通过测量压电梁的频率特性，证明了空分复用的压电陶瓷片同时兼有传感和执行两种功能。实验结果也表明传感区的敏感输出受到执行区激励电压的静电耦合的影响，利用悬臂梁存在反谐振点的特性，提出了一种定量测量静电耦合的方法，并测定了不同电极宽度、不同极间隙下的静电耦合系数。本文的工作为采用空分复用的压电自感知执行器进行振动主动控制奠定了基础。     

Impact force measurement of an actuator arm of a hard disk drive

Impact forces of an actuator arm of a hard disk drive (HDD) are measured by means of modifying the levitation mass method (LMM) whose basic concept was proposed by the first author. In the LMM, force is measured as the inertial force of a mass levitated with sufficiently small friction using an aerostatic linear bearing. The Doppler frequency shift of the laser beam reflecting from the mass is accurately calculated from the waveform recorded using a digitizer. The velocity, the position, the acceleration and the inertial force of the mass are calculated from the measured time-varying Doppler frequency shift. In the experiments, the mechanical response of an actuator arm of a HDD against an impact load and the inertial force of the actuator arm in free oscillation are measured. The importance and the problems concerning the present knowledge on the impact force of an actuator arm of a HDD are also discussed.     

Flextensional ultrasonic motor using the contour mode of a square piezoelectric plate

This paper presents the design, fabrication, and characterization of a new type of standing wave piezoelectric ultrasonic motor. The motor uses a metallic flextensional amplifier, or cymbal, to convert the contour mode vibrations of a square piezoelectric ceramic plate into flexural oscillations, which are further converted to produce rotary actuation by means of an elastic-fin friction drive. The motor operates on a single-phase electrical supply. A beryllium copper rotor design with three-fin configuration was adopted, and the geometry was varied to include different material thicknesses, fin lengths, and inclinations. The best stall torque and no load speed for a 25-mm square motor were 0.72 Nmm and 895 r/minute, respectively. The behavior of the stator structure was analyzed by ANSYS finite element software using harmonic and modal analyses. The vibration mode estimated by finite element modeling (FEM) was confirmed by laser Doppler vibration measurements.     

Flextensional ultrasonic piezoelectric micro-motor

This paper presents the experimental design, construction, and operational characteristics of a new type of standing wave piezoelectric ultrasonic micro-motor. The motor uses a composite stator, consisting of a metallic flex-tensional mode converter, or "cymbal", bonded to a 2-mm-square piezoelectric plate. The cymbal converts contour-mode vibrations of the plate into oscillations in the cymbal, perpendicular to the stator plane. These are further converted into rotational movement in a rotor pressed against the cymbal by means of an elastic-fin friction drive to produce the required rotary actuation. The motor operates on a single-phase electrical supply, and direct control of the output speed and torque can be achieved by adjusting the amplitude and frequency of the supply voltage. Noncontact optical techniques were used to assess the performance of the developed micro-motor. The operational characteristics were developed from the acceleration and deceleration characteristics. No-load output speed (11 rev s(-1)) and stall torque (27 nNm) were derived using high-speed imaging and image analysis. Maximum efficiency was 0.6%.