外驱动双向推力型压电步进精密驱动器研究

提出了一种新型的压电直线精密步进驱动器.该驱动器采用步进仿生运动的原理(Pusher),以定子箝位和定子驱动的方式实现动子被动运动.在对驱动器工作原理和机械结构分析的基础上,建立以压电叠堆为驱动元件的直线驱动数学模型,并对其结构进行了有限元分析.这种驱动器采用双向推力的结构原理,实现了在正反向与运动过程中驱动特性的一致.实验证明,以这种新型驱动方式构造的驱动器实现了箝位牢固、高频率(100 Hz)驱动、高步进速度(30 mm/min)、大行程(＞10 mm)、高分辨率(0.05μm)、大驱动力(100 N)等特点,大幅度提高了压电型步进驱动器的驱动性能,在精密运动、微操作、光学工程、精密定位等精密工程中有广阔的应用前景.     

外驱动双向推力型压电步进精密驱动器研究

提出一种新型的压电直线精密步进驱动器。该驱动器采用步进仿生运动的原理(Pusher),以定子箝位和定子驱动的方式实现动子被动运动。在对驱动器工作原理和机械机构分析的基础上,建立以压电叠堆为驱动元件的直线驱动数学模型,并对其结构进行了有限元分析。这种驱动器采用双向推力的结构原理,实现了在正反向与运动过程中驱动特性的一致。通过实验证明,以这种新型驱动方式构造的驱动器实现了箝位牢固、高频率(40Hz)驱动、高步进速度(240μm/s)、大行程(>25mm)、高分辨率(0.04μm)、大驱动力(47N)等性能,大幅度提高了压电型步进驱动器的驱动性能。该驱动器在精密运动、微操作、光学工程、精密定位等精密工程中有广阔的应用前景。     

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。     

新型压电精密步进旋转驱动器研究

提出了一种新型的压电精密步进旋转驱动器.该驱动器根据仿生运动原理,以压电陶瓷叠堆为动力源,采用定子内侧箝位的方式和薄壁柔性铰链微变形结构,提高了箝位的稳定性和步进旋转的稳定性.通过静力学有限元分析和动力学分析,较深入地研究了该驱动器的运动特性.研究结果表明,该驱动器具有高频率(40 Hz),较高速度(325μrad/s),大行程(＞360°),高分辨率(1μrad/step),较大驱动力(30 N·cm)等特点,提高了压电精密步进旋转驱动器的驱动性能,在精密运动、微操作、光学工程、精密定位等精密工程领域有广阔的应用前景.     

新型压电步进式二维精密驱动器

设计了新型压电步进式精密二维驱动器.以压电叠堆为驱动元件,在单体柔性结构上实现直线和旋转驱动二维精密驱动.同时利用独特的双侧对称箝位结构,保证工作的稳定性和准确性.进行了二维驱动器的有限元分析,通过大量试验研究.证明二维驱动器达到基本设计功能.试验结果表明:二维驱动器的旋转驱动分辨率达到0.45μrad,行程360°,速度达到0.04 rad·s-1时,扭矩可达0.2 N·m;直线驱动分辨率40 nm,行程20 mm,速度19.2 mm·min-1时,驱动力可达近10 N,可实现2自由度精密驱动.     

内箝位型压电精密步进旋转驱动器

提出一种新型的压电精密步进旋转驱动器。该驱动器以仿生运动的原理,以压电陶瓷叠堆为动力源,采用定子内侧箝位的方式和薄壁柔性铰链微变形结构,提高该驱动器箝位的稳定性和步进旋转的稳定性。通过静力学有限元分析和动力学分析,较深入地研究了该驱动器的运动特性,并对驱动器旋转分辨率、旋转速度、驱动转矩等方面进行试验研究。研制的内箝位型压电精密步进旋转驱动器能够实现高频率(40 Hz),较高速度(325 μrad /s),大行程(大于360°),高分辨率(1 μrad),较大驱动力矩(30 N·cm)等特点,有效提高了压电精密步进旋转驱动器的驱动性能。该驱动器在精密运动、微操作、光学工程以及精密定位等精密工程中具有广阔的应用前景。     

基于微操作的大行程高分辨率旋转微驱动器的研究

根据仿生学原理,采用分立式布局,研制出大行程高分辨率旋转微驱动器.该微驱动器采用电磁铁箝位、压电陶瓷驱动的爬行式步进机构形式,实现了光学镜面的二维微调整操作.实验表明,该微驱动器具有分辨率高、行程大、步距可变等特点,也适用于其它微操作中大行程高分辨率的旋转驱动.     

主动驱动/被动箝位型压电精密步进驱动器研究

提出一种基于直线动子主动驱动和定子被动箝位的新型的压电精密步进驱动器。该驱动器以仿生运动的原理，以压电陶瓷叠堆为动力源，采用双薄壁柔性铰链微变形结构，提高了该驱动器箝位的稳定性和步进旋转的稳定性。通过理论分析和实验研究，深入的揭示了该驱动器的运动特性。     

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。     

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。     

Novel precision piezoelectric step rotary actuator

A novel piezoelectric (PZT) precision step rotary actuator was developed on the basis of PZT technology. It adopts the principle of bionics and works with an inside anchoring/loosening of the stator and a distortion structure of the uniformly distributed thin flexible hinge to solve problems such as ineffective anchoring/loosening, low step rotary frequency, small travel, poor resolution, low speed and unsteady output. The developed actuator is characterized by high frequency (30 Hz), high speed (380 μrad/s), large travel (>270°), high resolution (1 μrad/step), and work stability. It greatly improves the ability to drive the existing PZT step rotary actuator. The new actuator can be applied in the field of micromanipulation and precision engineering, including precision driving and positioning and optics engineering. __________ Translated From Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2006, 36(5): 673–677 [译自: 吉林大学学报 (工学版)]     

用于光阑的旋转型驻波压电作动器

为了驱动光阑实现对光束的控制和调节,提出一种新型的旋转型驻波压电作动器。现有压电作动器中,性能稳定的多为单一振子复合模态工作方式,要求各工作模态频率差小,除了对加工精度要求高之外,由于工作磨损对各模态频率影响不同,工作模态的频率差增大,使作动器的性能和效率下降。针对这一问题和光阑的工作特点,研制了一种新型的旋转型压电作动器。该作动器利用两个相同结构杆形压电振子的同形模态,经摩擦驱动光阑活动环转动,达到调节光阑孔径的目的。原理样机实验表明:当预压力为8N时,在驱动电压为200V_(p-p)～400V_(p-p)范围内,作动器的旋转速度与电压成正比,最大的逆时针旋转速度为75.36rad/min,最大的顺时针运动速度为62.8rad/min;在驱动电压为400V_(p-p)下分辨率可以达到0.34mrad。该压电作动器满足了光阑光束控制的要求,具有结构简单、响应快速、调速平稳和精度高等优点。     

新型惯性式压电驱动机构的研究

基于控制移动机构和支撑面之间摩擦力的方法,提出了新型惯性冲击式压电陶瓷驱动机构的研究方案.分析了驱动机构的工作原理,驱动电压与驱动力、位移之间的关系,设计、制做了可实现直线往复运动的压电微型驱动器结构,并作了相关的性能测试.实验结果表明,采用简单的对称信号波形能驱动机构运动.直线驱动器最高速度可达1 mm/s,最大步长分辨率为20 nm,最大承载能力为1 000g.     

一种新型大推力直线压电作动器

设计了一种新型大推力直线压电作动器,采用螺旋箝位的方式实现对压电叠堆微小位移的累积输出,实现了大推力和长行程。对该种作动器的驱动机理和作动器设计过程中的关键技术问题进行了详细的分析,包括力矩电机的转速设计、上下柔性联轴器的扭转刚度设计、螺母和丝杠之间相关机械参数的设计以及对所选压电叠堆进行性能测试并选择其最佳工作频段。原理样机长为140 mm,最大直径为45mm,重量为0.7 kg,行程为40 mm。在力矩电机转速为300 r／min,压电堆驱动频率为100 Hz时,作动器的最大输出力可达130 N。     

蛇型步进式直线驱动器的研究

利用压电陶民电致伸缩性效应可以制成压电驱动器。用金属材料制成的一体化可动结构和叠层式压电元件可组成蛇型步进式直线驱动器,能实现高精度、高可靠性的直线步进驱动。分别地该直线驱动器的系统模型、控制方法及特点作了论述。     

双压电薄膜微机器人驱动器的稳态响应

描述了一种适用于φ20mm管径的管道检测微机器人的驱动器,它由双压电薄膜、芯杆和配重质量构成。采用有限元分析的方法研究了双压电薄膜在不同边界条件下,驱动器在一阶固有频率处的稳态响应,得出双压电薄膜的压制角度为9°和63°时,驱动器的稳态响应较大。该结论可成为此类微机器人优化设计的理论依据。     

压电陶瓷驱动球基微驱动器的动力学研究

研制出了尺寸为30 mm×30 mm×50 mm的压电陶瓷驱动的球基微驱动器样机,并对该微驱动器进行动力学分析以及微型轴孔装配的实验研究。建立了微驱动器金属球空间坐标关系,分析了球基微驱动器的动力学特征,并建立了其动力学模型。采用龙格-库塔法计算出了微驱动器的动力学参数,并利用MATLAB的SIMULINK模块搭建了微驱动器的仿真模型,并对其进行了动力学仿真分析。研制出了球基微驱动器样机,并在此基础上,集成微夹持器形成微操作器,对微驱动器性能进行了实验测试,并开展了Φ180 μm微型轴与Φ200 μm微型孔之间的精密微装配实验研究。最后,分析了微驱动器金属球质量、驱动信号频率、以及金属球与微驱动单元摩擦块接触表面摩擦系数对其性能的影响。实验结果表明:该球基微驱动器的转动分辨率为0.000 1°,转动定位精度为0.000 5°,微驱动器最大工作频率为1 200 Hz。实验结果验证了逆转振动模型的正确性,由该微驱动器所集成的微操作器,完全可以满足对微小元器件的微米级操作与装配等精密作业的要求。     

Dynamical research on spherical micro actuator with piezoelectric ceramic stacks drivers

This paper develops a 30 mm × 30 mm × 50 mm spherical micro actuator driven by piezoelectric ceramic stacks (PZT), and analyzes its dynamic performances. First, the space coordinate relationship of the spherical micro actuator and a dynamic model are set up. Second, The Runge-Kutta arithmetic is used to calculate the dynamical parameters of the micro actuator; the SIMULINK module of MATLAB is used to build the dynamical simulating model and then simulate it. Third, an experimental sample of the spherical micro actuator is developed, a micromanipulator is integrated with a micro-gripper based on the sample spherical micro actuator, and the experimental research on the micro assembly is conducted between a micro shaft of Φ180 μm and a micro spindle sleeve of Φ200 μm. Finally, the characteristics of the spherical micro actuator influenced by the mass of the metal sphere of the micro actuator, driving signal frequency, friction coefficient of the contact surface between the metal sphere and the friction block of the micro driving unit are analyzed. The experimental results indicate that the rotation resolution of the micro actuator reaches 0.000 1°, the rotation positioning precision reaches 0.000 5°, and the maximum working frequency is about 1200 Hz. The experimental results validate the back rotation vibration model of the spherical micro actuator. The micromanipulator integrated by the spherical micro actuator can meet the requirements of precise micro operation and assembly for micro electro mechanical systems (MEMS) or other microelements in micro degree fields. __________ Translated from Optics and Precision Engineering, 2007, 15(2): 248–253 [译自: 光学精密工程]