双向驱动压电作动器结构设计

为了实现叠层压电作动器双向驱动、提高作动行程的目的,设计了利用三角位移放大原理的双向驱动压电作动器。分析了作动机构的运动及放大机理,建立了作动器的输出位移的理论模型和有限元静力模型。样机输出特性试验结果显示:压电作动器的位移放大倍数达5.45,与有限元仿真得到的放大倍数5.71以及解析计算得到的5.76倍相对偏差分别是4.77%和5.69%;驱动器在幅值为200 V正弦电压的激励下,作动行程达105.5μm,作动行程与电压幅值具有很高的线性度(相关程度R2=0.997),且有很高的重复精度;作动器的输出特性受频率影响较小,频率每升高10 Hz,作动振幅减小0.04μm;放大机构的迟滞效应相比单个叠层压电陶瓷有很大改善,迟滞回线中心对称。该结构实现了较大行程、双向对称驱动的目的,适用于需要往复驱动特性对称的应用场合。     

菱形压电驱动器对称驱动形式的研究

为了提高压电堆栈的位移输出,该文设计了一种菱形压电驱动器。该机构以压电堆栈作为驱动元件,利用菱形位移放大器放大叠层压电陶瓷的输出位移。该文首先对三角放大原理进行了分析,接着对菱形压电驱动器在一端固定一端驱动负载和两端同时对称驱动负载两种不同的约束方式进行了理论分析,然后利用ANSYS软件对菱形压电驱动器的静、动态特性进行了有限元分析。通过分析结果可以得出,该机构的仿真放大倍数为6. 17,接近于机构的理论放大倍数7. 12,而对称驱动下的工作频率可远远高于一端驱动下的工作频率,并对该结果进行了进一步的分析与讨论。     

压电双晶片型微位移放大机构研究

介绍了以压电双晶片作为驱动元件,由三角放大机理构造的柔性铰链机构作为位移输出的微位移放大机构.通过理论计算、建模等对微位移放大机构进行设计,制作了微位移放大机构的样机,并进行了试验.对得到的测试数据进行分析,研究结果表明,采用压电材料作为精密设备的驱动元件性能良好,所研制压电双晶片型微位移放大机构原理,可推广应用到其他...     

尺蠖式压电线性作动器设计及实验研究

针对空间环境下小型抓取操作机构对新型作动器的使用需求,考虑压电作动器具有耐温范围宽、无电磁干扰及断电自锁等特点,仿照昆虫尺蠖的行走方式设计一种新型压电线性作动器。首先,利用柔性铰链式位移放大机构放大压电陶瓷（Pb-Zr-Ti,简称PZT）叠堆的输出位移,以增大线性作动器的移动步长及对导轨的夹紧变形量,将多个压电陶瓷叠堆器件分为3组,分别作为尺蠖式压电线性作动器的2个夹持单元和1个推进单元的激励源,以获得较大的驱动力并进一步增大作动器的移动步长;其次,借助有限元仿真分析软件,研究压电陶瓷叠堆力电耦合行为的预测方法,并实验验证该方法的可行性;然后,简化柔性铰链式位移放大机构,提出放大倍数的数值分析方法,对位移放大机构在压电陶瓷叠堆作动方向上的刚度进行仿真分析,并验证放大倍数的数值分析方法的准确性;最后,基于设计的线性作动器开展实验研究。结果表明：位移放大机构对压电陶瓷叠堆输出位移的放大倍数为7.3,处于理论值与仿真值之间;在激励电压频率为5 Hz时,作动器的最大空载移动速度为413 μm/s;作动器的最大推动力为16 N,对应的驱动速度为19 μm/s。以上研究结果能为小型抓取操作机构的智能驱动提供技术支持。     

应用于压电叠堆泵的微位移放大机构

提出了一种应用于压电叠堆泵的微位移放大机构,该机构以压电叠堆(积层式压电微位移器)为驱动元件,通过基于三角形放大原理的柔性铰链放大机构,放大压电叠堆的输出位移。同时,设计、研制了实验装置,并在试制样机上对其静、动态特性进行了实验。实验测试结果表明:该机构对压电叠堆输出位移的放大倍数达到5倍,并且该机构具有线性良好、高分辨率、高频响应等特点。由有限元分析得到的固有频率达到了1.8 kHz,实际测量的固有频率为1.5 kHz。     

柔性微位移放大机构的设计与动力性能仿真分析

为将压电陶瓷驱动器的输出位移进行放大,根据差式位移放大原理设计了一种新型柔性微位移放大机构。分析了直圆柔性铰链的结构参数对铰链刚度的影响。推导了该机构的位移放大倍数和最大应力的计算公式,并建立了柔性微位移放大机构的动力学模型,得到该机构的固有频率计算公式。利用有限元软件对其进行动力性能仿真分析,分析表明:该位移放大机构设计合理且处于稳定的工作状态。     

三角放大型压电陶瓷微纳米驱动机构

提出了一种基于小压电陶瓷条的三角放大型微纳米驱动机构。该机构由两个1.6 mm×1.6 mm×5.0 mm的小压电陶瓷条、三角对称型伸缩臂、大顶角柔性铰链（扫描端）及基座组成,由小压电陶瓷条驱动伸缩臂运动,基于大顶角三角形的放大原理,获得高放大倍率的扫描端输出位移。理论分析与有限元仿真表明,当三角对称型伸缩臂与底边的夹角为6°时,扫描端的位移量与小压电陶瓷条的伸缩量之比可达9倍左右;当驱动电压为80 V时,相比于小压电陶瓷条的伸缩量3.2μm,扫描端的位移量理论值可达29.5μm。显微运动测量实验表明,在相同驱动电压下,扫描端的实际位移量达到26.6μm,实际位移放大倍数达到8.3倍。将该机构作为原子力显微镜的慢轴扫描器,成功实现了基于小压电陶瓷条的宽范围原子力显微镜扫描成像（4μm×26μm）,具有良好的分辨率、对比度和线性度。该机构具有原理新颖、结构简洁、成本低廉、性能优越等特点,可望在光学、精密机械及微纳米技术领域获得广泛的应用。     

三自由度压电叠堆微位移放大机构的研究

提出一种应用于压电叠堆的微位移放大机构,该机构以压电叠堆为驱动元件,通过基于杠杆原理的柔性铰链二级放大机构,放大压电叠堆的输出位移,在互相垂直的三个自由度方向上通过磁性部件连接,实现三自由度方向上独立的位移输出。同时,通过仿真和试验,对其静态特性和动态特性进行研究。试验测试结果表明:该机构对压电叠堆输出位移的放大倍数达到5倍,三个自由度方向上的位移互相没有影响,并且该机构具有线性良好、高分辨率和高频响应等特点。     

压电驱动水压换向阀中放大机构的设计

为解决传统电磁换向阀耗能高的缺点,采用压电陶瓷来驱动水压换向阀。在文中提出了压电驱动水压液压换向阀的结构形式,设计了所需大输出位移的柔性铰链结构,对本柔性铰链进行了理论的位移损失分析,最终对不同负载力下柔性铰链输出位移进行了仿真。分析与仿真表明:本柔性铰链放大机构在负载力70N时,输入端位移为0.05mm时,输出位移为0.346mm,此时放大倍数为6.92。     

双向作动大行程二自由度稳像机构

针对光学稳像系统的双向动态大行程的设计要求,本文设计了一种可伸缩双向作动的压电作动器,并基于此压电作动器设计了二自由度稳像机构。压电作动器由一个收缩式三角位移放大机构和一个伸张式三角位移放大机构组成。位移放大机构可为压电平台提供足够的行程,柔性铰链可使平台结构更加紧凑。接着,利用有限元分析软件ANSYS对平台结构进行静力学仿真,模拟了平台的位移和应力变化。最后对原理样机进行了实验分析,实验结果显示所设计压电平台在低电压和低频率下有足够大的行程和足够快的响应速度,作动器在120V电压下的输出位移在67μm左右,基本满足稳像系统的性能要求,故平台结构的设计方案是可行的。     

压电位移放大机构的力学解析模型及有限元分析

研究了压电位移放大机构的运动学和动力学建模问题。基于能量守恒原理和弹性梁弯曲理论推导了桥式位移放大机构的位移放大比等静力学解析模型;在此基础上,通过拉格朗日方程建立了桥式位移放大机构的固有频率解析模型。通过有限元计算验证和分析了提出的解析模型的可行性和优越性,并与国内外典型的位移放大比数学模型进行了比较。结果表明:由于本文提出的模型考虑了位移放大机构的拉伸和弯曲变形,并且摒弃了国内外普遍采用近似几何关系进行数学推导的思路,因此所建立的位移放大比解析模型精度更高;固有频率解析计算结果与有限元模态分析结果的相对误差约为5%。得到的结果显示:本文给出的建模方法以及位移放大比、固有频率等解析模型可为柔性机构的优化设计和研制提供依据和参考。     

新型双臂菱形压电柔性机构理论设计与建模

针对目前传统菱形位移放大机构的输出刚度、固有频率和位移放大比无法同时提高的问题,提出了一种双臂复合菱形柔性机构,并介绍了其理论设计与建模方法。基于欧拉-伯努利梁理论和卡氏第二定理,推导出双臂复合菱形柔性机构的位移放大比和刚度解析模型,利用拉格朗日方程建立了该柔性机构的固有频率解析模型,并通过商业有限元软件验证了解析模型的准确性。根据理论计算结果,通过电火花切割工艺加工出复合柔性机构,并与相同尺寸参数的传统菱形位移放大机构进行实验比较研究。实验结果表明,压电双层臂柔性机构的固有频率为1330Hz,位移放大比为4.2,同时提高了固有频率和放大比。此外,所建立的位移放大比和固有频率力学解析模型可以为新型压电柔性机构的优化设计提供理论指导。     

柔性二级差动式微位移放大机构优化设计

微位移放大机构常常用来扩大压电陶瓷致动器的行程范围。鉴于差动式微位移放大机构具有"小结构大倍数"的特点,设计了一种新型二级差动式杠杆微位移放大机构。应用矩阵表示法对其进行了运动静力学分析,在此基础之上,以柔性铰链的分布位置及其几何特征参数为优化变量,并以提高位移放大比和减小最大应力为目标函数建立一种双目标优化模型。机构经过优化设计后位移放大倍数高达48倍,并对其进行有限元仿真分析,计算结果为44倍,理论模型与有限元模型的误差小于10%。结果表明：提出的优化模型具有准确性和高效性,同样可适用于其他柔性铰链机构的优化设计。     

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。     

基于膜式液压放大的压电驱动器设计与试验

为解决叠堆式压电陶瓷输出位移微小的问题,结合液压放大的优点,提出了一种基于膜式液压放大的压电驱动器,并对关键部件--橡胶膜片进行有限元静力学、模态等分析。分析结果表明：橡胶膜片具有足够的安全强度和良好的工作频宽。在此基础上,研制其实物样机,搭建其测控平台,并进行了试验研究。开环试验结果表明：在0～100V电压控制下,所研制的压电驱动器输出位移范围为0～0.24mm,放大比约为5;闭环控制试验结果表明：采用分段PID的驱动器控制效果优于采用常规PID的控制效果,稳态误差约为±0.5μm。     

磁力弹簧式压电共振型气泵的设计

利用压电振子的振动激励相连接的隔膜共振原理,提出了用磁力弹簧式压电共振型气泵来提高压电泵对气体的驱动能力.首先,分析磁力弹簧式共振泵的工作原理,建立了共振泵的动力学模型,计算得出了影响隔膜振幅的主要因素.接着,设计和制作了样机,使用阻抗分析仪和激光位移计分别测得系统的共振频率及压电振子的位移放大倍数.最后,设计了测量共振泵流量和输出压力的实验装置,得出了磁力弹簧轴向间距对输出流量和输出压力的影响.实验测试表明:当输入正弦电压为200 V,系统共振频率为134 Hz,磁力弹簧的轴向间距为9 mm时,压电振子的位移放大倍数约为4.3,其最佳输出流量为524 ml/min,最佳输出压力为9.2 kPa.结果显示,提出的磁力弹簧式压电共振型气泵提高了气体的输送能力.     

应用于压电叠堆泵的柔性铰链放大机构的设计和性能分析

研制了一种应用于压电叠堆泵的柔性铰链放大机构,通过有限元方法分析了一些主要机构参数对柔性铰链放大机构输出位移的影响,并对其参数进行了优化设计.在此基础上加工制造了样机,并通过试验验证了其良好的位移放大性能和动态响应特性.