蠕动式压电/电致伸缩直线电机钳位机构设计

提出一种用于微进给压电／电致伸缩直线电机的弹性夹紧钳位机构。该机构采用柔性铰链和径向分布式杠杆构成力放大机构,实现对主轴的钳位与松位作用。本文在分析计算单槽半圆柔性铰链转角刚度、夹紧机构的力放大系数的基础上,讨论钳位机构与主轴之间的初始间隙、柔性铰链转角刚度以及杠杆机构的分布组数等因素对夹紧力的影响。该钳位机构可有效地降低钳位致动电压和机械配合精度,提高压电／电致伸缩直线电机的承载能力。     

微小型电极蠕动进给在电火花加工中的应用

根据电火花微小孔加工的特点，利用WTDS型电致伸缩微位移器件驱动，根据仿生学的蠕动原理，研制一个尺寸为80mm×60mm×40mm的整体式电极直接驱动机构，由计算机控制可实现电极纳米尺度上的精确进给，并成功地应用到电火花加工中。     

改善电致伸缩陶瓷微位移器性能的研究

对压电陶瓷和电致伸缩陶瓷的逆压电效应和电致伸缩效应进行了详细分析，并通过采用所研制的ＨＲＰＤ系列压电／电致伸缩陶瓷驱动电源对ＷＴＤＳ－Ｉ电致伸缩微位移器进行了实验研究，得出采用电极化强度控制的方法使电致伸缩微位移器的迟滞由原来的１５％减小到１％，蠕变由原来的１０％减小到１％，并实现位移输出的线性化。     

弹性薄膜——电致伸缩微进给机构研究

由弹性薄膜和电致伸缩微位移器构成的微进给定位机构，将在超精密加工和测试装置中得到广泛的应用。本文给出了该种结构的设计方法，并对其性能进行分析。     

蠕动式压电电流变液进给机构的负位移现象

为研制电流变液作为钳位介质的大行程高精度蠕动式进给机构,以压电陶瓷作为驱动元件,沸石/硅油型电流变液作为钳位介质,研制了蠕动式压电电流变液直线式进给机构样机,并利用计算机编程对机构的进给运动进行了控制,发现机构运动中存在负位移现象并研究了压电陶瓷驱动电压、电流变液钳位电压以及电流变液充放电时间对机构负位移的影响,建立了机构的动力学模型,对影响负位移大小的因素进行了定性探讨。结果表明,机构运动过程中,极板所受的作用力主要是钳位力、阻尼力和压电陶瓷的驱动力,增大钳位力,减小阻尼力,增大驱动力同时减缓驱动力的变化速率,对减小负位移有利。     

外圆磨床轴向微量亚微米磨削闭环控制系统的研究

通过在线检测、闭环控制,并把电致伸缩型陶瓷微位移器用于轴向微进给机构,实现了外圆磨床轴向微量亚微米级磨削。     

新型中凸变椭圆活塞车削伺服刀架的研制

针对非圆活塞车削加工技术,特别是中凸变椭圆活塞的车削加工原理及其刀架设计进行研究。提出一种新的超磁致伸缩微进给机构,通过将超磁致伸缩微进给机构与凸轮机构组合用于刀架设计,实现了伺服刀架的两个独立成形运动,即刀具相对工件形成非圆轨迹的运动和刀具相对工件形成纵向中凸曲线轨迹的运动。实验表明,研制的非圆活塞车削加工伺服刀架具有良好的驱动特性和加工稳定性,提高了非圆活塞加工的精度和效率。     

压电式微位移机构的现状与趋势

在精密和超精密加工与测量、大规模集成电路制造、微型机械制造、扫描隧道显微镜微测量以及精密光学工程等诸多尖端科技领域中,当运动分辩率达到亚微米级或纳米级时,压电式微位移机构在微进给定位上体现出了自身的优势。本文在介绍压电材料驱动原理的基础上,重点介绍了国内外压电式微位移机构的研究现状和一些典型样机。比较了压电式微位移机构的特点．提出了压电式微位移机构研究方向和应用趋势及应注重的问题。     

微细电火花加工设备技术研究

微细电火花加工的关键设备技术涉及电极的微进给伺服机构、电极和工件的附加树对运动机构、微小能量放电电源以及加工状态检测与控制系统等。文章围绕微细电火花加工系统的设计系统，介绍基于压电致动原理以及摩擦传动的微进给机构、工具电极的线放电磨削机构和旋转主轴、以及微小能量放电电源的设计等，并指出需要进一步研究的课题。     

电致伸缩微位移机构中的预紧力分析

电致伸缩陶瓷微位移机构一般包含以下几个部分：电致伸缩陶瓷做位移驱动器、弹性变形体、支承部件。电致伸缩陶瓷微位移驱动器作为机构的核心元件，由专业厂家专门生产．其性能已定，故使用者只能通过优化其它部分而使微位移机构工作于最佳状态。微位移机构的每一个组成元件，其制造精度是有限的。利用一些联接件，如垫片、钢球、螺钉等把它们装配到一起，各装配面之间就会产生接触不紧密的问题，其间隙值从几微米到几十微米，甚至更大。一方面，如果不对它们进行预紧，电致伸缩陶瓷微位移“驱动器的最大位移量也不够补偿其间隙值，另一方面…     

具有缩放平台的串并联蠕动机构*

为探索新型移动机构及其移动方式,提出一种具有缩放平台的串并联移动机构。该机构由两个空间3-RPR并联机构串联组成,其三个平台均为可缩放移动平台。通过三个平台依次缩放配合支链的伸缩,该机构可实现蠕动运动。该机构兼具并联机构高刚度和串联机构运动空间大的优势。应用螺旋理论计算该机构的自由度,运用矢量法进行运动学分析。以攀爬管道内壁为应用案例,介绍该机构蠕动的详细步态。利用Solidworks进行详细的机械设计。利用ADAMS进行攀爬管道的动力学仿真,得到平台的位移曲线以及支链推杆的杆长变化曲线。制作一台原理样机,验证了该机构的自由度特性和蠕动步态。     

旋转尺蠖压电电机驱动机构自由振动分析

提出了一种新型旋转尺蠖压电电机。考虑旋转尺蠖压电电机驱动机构为连续系统,建立了驱动机构动力学模型;利用该动力学模型求解了样机驱动机构的固有频率和模态函数。分析了系统参数对驱动机构固有频率的影响规律,为旋转尺蠖压电电机的设计打下了理论基础。     

柔性框架式蠕动机构运动时的负位移现象

基于尺蠖运动原理,以压电陶瓷作为驱动和钳位元件,研制了柔性框架式蠕动机构。在计算机控制下,对其步进性能进行了测试,首先对比了六步和四步模式运动的效果,对机构运动中出现的负位移现象进行了深入分析;继而在四步模式下,研究了钳位电压和驱动电压对机构负位移的影响。研究结果对提高该进给机构的运动速度、运动精度有一定的指导意义。     

尺蠖式直线微驱动器的设计

针对普通尺蠖式直线微驱动器运动速度低和输出力小等问题,基于柔顺机构设计了一种新型尺蠖式直线微驱动器。微驱动器由箝位机构、驱动机构和输出轴组成,其运动特点是驱动机构驱动箝位机构进行往复直线运动,箝位机构带动输出轴作直线运动。箝位机构和驱动机构均采用柔性杠杆结构,保证了微驱动器所需的箝位力与驱动力,并提高了其运动速度。采用伪刚体方法建立了驱动电压与箝位力、驱动机构输入位移与输出位移之间的关系,根据功能原理建立了输入力与驱动力之间的关系并制作了样机,搭建了实验测试系统进行性能测试,测试结果表明,驱动器最大箝位力为216.43N,最大驱动力为13.5N,在驱动电压120V,频率95Hz时,达到最大速度48.91mm/s。     

Micro electro discharge machine with an inchworm type of micro feed mechanism

A micro electro discharge machine with an inchworm type of micro feed mechanism has been developed. The prototype of micro electro discharge machine is comprised of a wire electro discharge grinding unit, a rotating unit of electrode, RC circuitry for micro electro discharge generation and a subsystem detecting and controlling machining process, in addition to the inchworm mechanism. In the design of the inchworm mechanism, a novel clamp mechanism with force magnifying structure is devised to increase its thrust capability and a pair of guide sleeves together with the clamps are used to decrease yawing error. The inchworm mechanism prototype has 60 mm stroke only limited by the length of the shaft, less than 2 μm yawing error and reaches to 30N output thrust force. The machining experiments carried out on the micro EDM prototype are also described. The techniques to machine micro electrode, micro holes with high aspect ratio, micro structures on stainless steel and silicon materials are discussed. Micro electrode diameter as small as 25 μm and micro holes with minimum size of less than 50 μm are obtained. And the maximum aspect ratios of micro electrodes and micro holes exceed 20 and 10 respectively.     

A parallel link end effector for scanning electrical discharge machining process

Because a parallel mechanism has a high-frequency response, multiple degrees of freedom (DOF), and high stiffness, it can be applied to an end effector for electrical discharge machining (EDM) with a scanning motion. A prototype has 3 DOF: two tilting angles around the x- and y-axes, and the movement in the z-direction. It consists of, a base plate, a stage, a constraint link, and three inchworm devices that act as links. The inchworm devices are connected with the stage and the base plate. The z-position and inclination of the stage are changed by adjusting the length of the inchworm devices. The electrode feeding is controlled by the combination of the steplike movement with the inchworm devices and continuous extension of piezos. The frequency response of the stage by the continuous extension of the piezos is up to 200 Hz. The positioning accuracy of the end effector is less than 30 μm in height and 0.04° in inclination. Some examples of EDM by the scanning motion are demonstrated.     

基于导通角调节的双足式尺蠖电机驱动

为了解决尺蠖电机难以兼顾高速和高精度的问题,提出一种基于导通角调节的驱动方法,对V形双足式尺蠖电机的机电耦合模型、驱动方法和运动机理等进行了研究。根据设计的V形双足式尺蠖电机结构建立其机电耦合模型,基于导通角调节确定尺蠖电机驱动方法。分析V形双足式尺蠖电机运动机理,并搭建实验平台进行实验验证。实验结果表明:在一定允许误差的范围内,实验结果与理论推导相符,验证了驱动方法的合理性与可行性。引入导通角,最小步距由500 nm降低到330 nm,降低了34%;通过同时调节频率f和导通角α,可使电机具备0.5 mm/s的最大驱动速度和330 nm的最小步距的能力。引入变量导通角α,成功实现了电机步距和驱动速度的独立调节。     

RESEARCH OF MICRO ELECTRO DISCHARGE MACHINING EQUIPMENT AND PROCESS TECHNIQUES

Micro electro discharge machining (micro EDM) is a feasible way to manufacture micro structures and has potential application in advanced industrial fields. For the realization of micro EDM, it is necessary to pay careful attention to its equipment design and the development of process techniques. The present status of research and development of micro EDM equipment and process techniques is overviewed. A micro electro discharge machine incorporated with an inchworm type of micro feed mechanism is introduced, and a micro electro discharge machine for drilling micro holes suitable to industrial use is also introduced. Some of the machining experiments carried out on the micro EDM prototypes are shown and the feasibility of the micro EDM technology to practical use is discussed.     

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.     

基于旋转磁铁箝位的压电尺蠖驱动器理论与试验分析

为简化压电尺蠖驱动器信号控制系统并降低摩擦磨损，提出了一种基于旋转磁铁箝位的新型压电尺蠖驱动器。该驱动器利用直流电机带动永磁体转动实现交替箝位，通过激光对射传感器感知永磁体位置产生的激励信号来驱动压电叠堆实现精密直线位移输出。优化了驱动器结构的相关参数，制作了压电尺蠖驱动器样机并对其进行试验测试，结果表明：驱动器性能稳定，最小分辨率为0.119 μm，最高速度和最大载荷分别为481.43 μm/s、950 g。