一种压电步进微动转台的研究

介绍了一种基于尺蠖原理的回转式步进压电微动转台。借助柔性机械结构,将压电陶瓷的微位移以角度方式输送出来。在结构设计方面,采用柔性铰链放大结构,夹紧器和驱动器均采用双驱动器结构,实现推-拉接力运动。配以适当的四路驱动信号,实现了压电微动转台的单步、多步连续匀速转动。最后对样机进行了实验测试。实验结果表明,所设计的压电步进微动转台结构紧凑、分辨力高且运动稳定。同时,动体没有缠绕,使得驱动器可以在任意位置启动,并可在360°范围内连续匀速转动。在频率为5Hz、幅值为30V驱动电压下测得最小步距小于3″,在频率为40Hz幅值为160V的驱动电压下速度达到430.4″/s。     

大行程纳米级步距压电电动机

介绍了一种基于尺蠖运动原理的大行程纳米级步距压电电动机。在结构设计方面,变传统单驱动器结构为双驱动器结构,采用新颖的推—拉接力运动原理,配以适当的四路驱动信号,实现了压电电动机的连续匀速运动。通过试验对电动机的性能进行了测试,结果表明：电动机的运动位移是线性的,运动速度在驱动电压为300 V时可达12 mm/s,最小步距小于6 nm,行程大于10 mm。     

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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

基于叠片式柔性铰链和压电陶瓷电动机的大行程直线驱动导轨设计

提出了一种叠片式柔性铰链导轨工作台,可以在保持柔性铰链微位移工作台高直线度的前提下,大幅度提高行程,同时还保持了柔性铰链微位移工作台无机械爬行现象的优点。采用压电陶瓷电动机作为叠片式柔性铰链工作台的驱动器,压电陶瓷电动机应用超声波驻波或行波驱动,具有定位精度高、行程大、频响高等优点,驱动分辨率可达20nm以下。     

压电陶瓷驱动的线性尺蠖驱动器设计与仿真

为了实现纳米操作中的精确定位,提出了一种压电陶瓷驱动的线性尺蠖驱动器。这个驱动器主要由1个柔性机构和3个压电陶瓷构成,其中一个压电陶瓷用来提供驱动力,另外两个用来交替夹紧线性导轨以用来实现尺蠖运动。建立了反映该尺蠖电机运动特性的理论模型,通过有限元仿真评估驱动器的性能和验证模型的有效性,研究了柔性机构的变形行为和相应的最大应力。     

Switched capacitor charge pump reduces hysteresis of piezoelectric actuators over a large frequency range

Piezoelectric actuators exhibit large hysteresis between the applied voltage and their displacement. A switched capacitor charge pump is proposed to reduce hysteresis and linearize the movement of piezoelectric actuators. By pumping the same amount of charges into the piezoelectric actuator quantitatively, the actuator will be forced to change its length with constant step. Compared with traditional voltage and charge driving, experimental results demonstrated that the piezoelectric stack driven by the charge pump had less hysteresis over a large frequency range, especially at ultralow frequencies. A hysteresis of less than 2.01% was achieved over a frequency range of 0.01-20 Hz using the charge pump driver.     

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。     

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。     

轴/径向耦合式非接触型压电作动器的研究

提出了一种基于近场声悬浮机理的球转子压电作动器,特别设计了可分别沿轴向和径向辐射超声近场的作动器,其目的是为了实现球转子的稳定、可控悬浮和高速旋转,可将其应用到航空航天的高速电机、球轴承传动或姿态传感领域。该新型压电作动器通过轴向与径向悬浮装置的不同耦合形式来提供超声悬浮力并以非接触的方式驱动球转子,实现对球转子的灵活控制。介绍了轴/径向耦合式非接触型压电作动器的结构和工作原理,通过仿真得到了悬浮装置的声场分布形式,深入分析和阐释了球转子的悬浮和驱动机制,加工了样机,搭建了轴/径向耦合式超声悬浮型压电作动器的特性测试系统,通过非接触式激光位移传感器得到了球转子的悬浮特性,并获得了691.5r/min的转速。     

新型精密磨削辅助微进给平台的研制及特性研究

设计了一种用于平面磨削主动控制的新型数控微进给工件平台.该平台由3个压电陶瓷(PZT)驱动器驱动,3个半圆形的弹性铰链构成的弹性环节实现对压电陶瓷驱动器的预紧.通过实验的方法研究了微进给平台的位移输出、静动态刚度等特性.     

悬臂梁振动自适应模糊控制及DSP实现

以粘贴压电自感作动器的悬臂梁为研究对象,推导了悬臂梁振动主动控制的压电元传感方程和作动方程的传递函数,给出了压电自感作动器位置配置优化方法,设计了硬件电路以及软件流程.试验结果表明,利用压电自感作动器和模糊自适应控制器可有效地抑制悬臂梁振动.     

压电陶瓷驱动微位移机构迟滞非线性改善方法研究

压电陶瓷驱动器在精密微位移系统中有着广泛的应用,但其固有的迟滞非线性严重影响系统的运动精度,使控制困难.通过数学建模方法建立压电陶瓷的迟滞曲线逆模型,并用此模型对压电陶瓷进行位移补偿,可以有效减小压电陶瓷迟滞非线性对系统精确控制的影响.提出一种用两个压电陶瓷协同驱动微动平台运动的微位移机构,通过基于迟滞逆模型的开环控制方法,对压电陶瓷位移进行误差补偿,可以实现微动平台运动与控制信号较好的线性对应关系.     

高频响伺服刀架的建模与控制

考虑目前应用压电陶瓷驱动器的伺服刀架只能提供单向驱动力,设计了一种基于双压电陶瓷驱动器的快速伺服刀架。涉及的两个压电陶瓷驱动器分别为刀具的进给和回复提供驱动力,其呈对称布置,用于有效提高刀架的整体刚度。为了对两个压电陶瓷驱动器进行联动协调控制,建立了PI迟滞模型和其逆模型,并设计了相应的联动协调控制方法。利用PI逆模型作为PID反馈控制的前馈环节构成复合控制用于调节快速伺服刀架的输出位移。实验验证了新型快速伺服刀架的响应频率、响应时间、位移响应特性和定位精度。结果显示:新型快速伺服刀架的响应频率为871.86 Hz,响应时间为0.000 45s;三角波信号的最大定位误差为3.366 1μm,误差百分数为7.63%,平均绝对误差为0.698 0μm,误差百分数为1.58%;正弦波信号的最大定位误差为3.244 4μm,误差百分数为7.67%,平均绝对误差为0.930 9μm,误差百分数为2.20%。     

Effects of Driving Mode on the Performance of Multiple-Chamber Piezoelectric Pumps with Multiple Actuators

Due to the limited output capability of piezoelectric diaphragm pumps, the driving voltage is frequently increased to obtain the desired output. However, the excessive voltage application may lead to a large deformation in the piezoelectric ceramics, which could cause it to breakdown or become damaged. Therefore, increasing the number of chambers to obtain the desired output is proposed. Using a check-valve quintuple-chamber pump with quintuple piezoelectric actuators, the characteristics of the pump under different driving modes are investigated through experiments. By changing the number and connection mode of working actuators, pump performances in terms of flow rate and backpressure are tested at a voltage of 150 V with a frequency range of 60 Hz ?400 Hz. Experiment results indicate that the properties of the multiple-chamber pump change significantly with distinct working chambers even though the number of pumping chambers is the same. Pump performance declines as the distance between the working actuators increases. Moreover, pump performance declines dramatically when the working piezoelectric actuator closest to the outlet is involved. The maximum backpressures of the pump with triple, quadruple, and quintuple actuators are increased by 39%, 83%, and 128%, respectively, compared with the pump with double working actuators; the corresponding maximum flow rates of the pumps are simply increased by 25.9%, 49.2%, and 67.8%, respectively. The proposed research offers practical guidance for the effective utilization of the multiple-chamber pumps under different driving modes.     

基于压电悬臂梁的驱动器与传感器性能分析的精确解析模型

三层压电梁结构在电场作用下发生变形后会产生诱发电势,进而改变材料整体电势分布,本文考虑此变形和电势耦合效应,基于欧拉-伯努利梁变形理论,推导出能够准确预测压电智能悬臂梁传感器与驱动器性能的解析表达式。考虑压电梁结构弯曲变形后产生的电场影响,建立了三层压电梁结构的控制方程;建立了压电梁作为驱动器时端部输出位移、驱动力矩与输入电压之间联系的解析表达式,以及作为传感器时输出电压与端部作用力之间联系的解析表达式。通过与ANSYS有限元模拟结果以及传统的驱动器和传感器性能表达式的对比,验证了所推导的解析表达式的准确性。