压电式微位移机构动态特性研究

压电陶瓷驱动器在较高电场的作用下将产生严重的非线性,从而影响其定位精度。压电陶瓷驱动器的非线性不仅与材料的非线性、蠕变、滞后等因素有关,还与器件的动态响应特性有关。动态响应的迟滞非线性是影响压电式微位移驱动器控制性能的一个关键因素,直接关系到控制精度的提高。该文采用前馈控制同数字比例、积分和微分环节(PID)控制相结合的复合控制算法对一维压电式微位移机构的控制过程进行校正补偿,建立了动态特性的闭环校正控制系统。实测结果表明,机构的动态响应时间显著缩短,实现了机构的快速响应。     

新型柔性放大机构的动力学前馈复合控制方法

纳米级精度微位移驱动与控制通常使用压电陶瓷驱动器驱动柔性机构来实现.但是压电陶瓷驱动器行程较小,需要使用柔性放大机构对其位移进行放大,并且压电陶瓷驱动器存在蠕变和迟滞等非线性特性,而这些非线性特性极大影响了其输出位移经放大机构放大后的运动精度.针对以上两点,将传统桥式机构的4条桥臂用Scott-Russell机构代替,...     

人工全膝关节置换术后早期感染的治疗

设计一种以压电陶瓷为驱动,通过柔性机构放大输出位移的精密定位工作台.给出了该精密定位工作台的结构模型,建立了精密定位工作台的位置输入输出方程,分析和计算了柔性铰链微位移放大机构的位移放大倍数.通过仿真确定工作台各自由度的变形量与压电陶瓷驱动器伸缩量之间的关系与运动特性.结果表明,该精密定位工作台能实现定位误差为0.1 μm的高精度定位.通过与3点支撑微位移放大机构工作台的比较,显示出4点支撑微位移放大机构工作台可减小交叉耦合的影响.     

微进给刀架中位移放大机构的优化设计

基于压电陶瓷驱动的刀具微进给机构是满足精密加工的重要途径,为进一步增加微进给刀架驱动位移,在微进给刀架中增加一种柔性铰链微位移放大机构,增加压电陶瓷驱动器输出位移。该文设计了4种微位移放大机构,理论计算了静态刚度,利用ANSYS软件对4种微位移放大机构进行了建模和有限元数值仿真分析,对比了不同类型的微位移放大机构的放大倍数、负载能力和应力情况等静态特性,为优化设计刀具微进给机构打下良好基础。     

无铅压电叠层驱动器极化工艺及驱动性能研究

为提升Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3-K_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3(NBT-KBT)系无铅压电陶瓷压电性能,开发新型无铅压电叠层驱动器,该文采用单因素方差分析与正交试验设计方法优化研究了0.8NBT-0.2KBT压电陶瓷的极化工艺,最优极化工艺为极化电场6kV/mm,极化温度70℃,极化时间50 min,保压时间21 min,测得压电系数d33达到108pC/N;制备了无铅陶瓷叠层驱动器,并基于三角放大原理和柔性铰链结构设计一种新型外置放大机构,分别对有无外置放大机构的叠层驱动器微位移量进行对比测试,结果表明,与有外置放大机构的叠层驱动器相比,直接驱动的叠层驱动器位移量放大了3.7倍,在150V驱动电压下位移量达到25μm。这种无铅压电陶瓷驱动器具有大位移量、稳定性及低成本等特性,有望应用于微精密定位系统领域。     

压电式执行器用于超精密进给机构的技术研究

通过对压电陶瓷微位移执行器动态特性问题的研究,设计了一种可微机控制的数字高压信号源作为电压调节器、压电陶瓷作为驱动器的精密微动平台。针对高精度的定位和进给需要,设计了数字闭环控制系统,引入数字比例-积分-微分(PID)模糊控制器以提高系统的动态特性。实验表明,该控制系统简单、可靠、实用,所提出的校正方法对改善压电陶瓷微位移执行器的动态特性有显著效果,现已将其用在磨床进给机构中。     

一维压电式微定位机构的设计研究

针对精密工作台高速、低精度的矛盾,以柔性铰链为导向元件、压电陶瓷为驱动器,研究、设计了一种一维高分辨率压电式微定位机构。由于精密工作台高速运动产生的运动惯量较大,欲实现亚微米级的定位精度是很困难的,因而在精密工作台运行到位后,由微定位机构对检测装置所检测出的定位误差进行补偿,以提高工作台的定位精度;由于压电陶瓷微位移器件输出位移过小,因此提出了一种单自由度对称式柔性铰链放大机构来提高微定位行程。给出了机构的动力学模型,并结合光栅尺检测装置,设计并研制了数字闭环定位控制系统,对微定位机构的定位特性进行了测试。实测结果表明,此微定位系统可实现高分辨率、长行程定位,定位分辨率达0.01μm。     

压电陶瓷驱动器动态特性的实验研究

动态响应的迟滞非线性是影响压电陶瓷驱动器高精度控制性能的一个重要因素，必须在控制中加以动态校正补偿。但由于驱动器的材料、结构和工作条件各异，所以关于动态非线性的定量描述难以建立一个统一的数学模型。针对这个问题，将PID参数的模糊自调整算法应用于微位移工作台，建立了一个动态特性的闭环校正控制系统，真正实现了工作台的快速响应．     

基于GRU神经网络的晶圆测试工艺控制方法

压电驱动器位移输出的非线性特性,如迟滞的记忆特性及速率相关性,使压电驱动器的建模与控制较难。该文提出了一种基于门控循环单元(GRU)的新型位移输出控制方法。建立相应的位移输出实验平台来验证和分析压电驱动器的滞后现象。使用GRU模拟滞后的内存特性及采用两个全连接层来模拟速率依赖性。该模型是一个端到端系统,其中压电陶瓷和位移放大机构被视为一个整体。针对不同电压输入预测的输出位移量表明,该模型对速率相关的滞后具有很强的泛化能力。使用相同的循环神经网络结构构建逆模型,并进行实验测试。实验结果表明,所提出的位移输出控制法有效地削弱了压电驱动器的非线性特性,有利于将线性系统控制法与前馈补偿法相结合。     

压电陶瓷驱动器在机器人柔性臂应用中的研究

研究了片状压电陶瓷驱动器在柔性手臂中的应用,推导了基本压电陶瓷驱动器的柔性臂静力学方程,建立了描述驱动器迟滞特性的Ｐｒｅｉｓａｃｈ模型,提出了一种基于Ｐｒｅｉｓａｃｈ前钏环的ＰＩＤ掏方法对柔性夺动主动控制和轨迹控制俞中以有效地克服片状压电陶瓷驱动器的迟滞特性,消除柔性臂运动产生的振动,实现柔性臂的精度轨迹控制。     

新型惯性压电驱动机构的仿真分析

提出通过机械方式控制压电驱动机构和支撑面之间正压力的有序变化,形成有规律的新型惯性压电驱动机构的研究方案。分析了机构的运动机理,建立了机构的动力学模型,应用现代控制理论,利用Matlab对机构进行运动学仿真,得到了机构位移仿真曲线,设计、制作了驱动机构样机,并作了相关的性能测试。仿真计算和试验结果表明了运动机理和动力学模型的正确性。     

压电陶瓷驱动器动态非线性建模与实验分析

针对谐振型压电陶瓷驱动器的动态非线性,建立了一个数学模型来定量描述驱动器输入与输出的非线性关系,借此可以定量分析其动态非线性的大小;并利用此模型对PZN－PZT悬壁梁式双晶片变曲驱动器动态非线性进行了实验分析,实验结果表明此模型对驱动器动态非线性定量分析效果良好。     

用于挠性驱动的双足压电作动器的研究

为了进一步拓展压电式挠性驱动的研究和大包角挠性驱动机理,该文提出了一种用于挠性驱动的双足压电作动器.压电作动器结构为带有两圆柱驱动足的方形截面梁,在驱动足外圆柱面加工螺旋槽,既保证了挠性丝与驱动足的充分接触,又使挠性丝缠绕多圈时不会相互影响.根据设计思路,使用ANSYS有限元分析软件建立压电作动器的有限元模型,并确定其...     

一种低耦合位移动镜支撑机构静动态性能分析

为控制FTIR光谱仪中迈克尔逊干涉仪的动镜做一维的精密直线运动,研究了一种低耦合位移的动镜支撑机构。利用单平行和双平行四杆机构的优点,基于柔性铰链设计了一种动镜支撑机构。根据材料力学及机构动力学理论,对基于压电陶瓷（PZT）驱动器驱动的动镜支撑机构系统的静、动态性能进行了分析。仿真结果表明,低耦合位移动镜支撑机构在外力对称作用时无垂直耦合位移,在外力偏移1 mm非对称作用时其耦合转角的数量级（以度为单位）为10-6;在输出相同位移时,动镜机构的最大应力约为双平行四杆机构的0.5倍;动镜机构的基频f为211.3 Hz,PZT驱动器和动镜机构构成的机电系统的固有频率fn为823.7 Hz,fn约为f的4倍,满足动镜支撑机构系统的动态性能要求。该研究为后续的进一步研究打下了基础,具有一定的工程价值及理论指导意义。     

基于FPGA的压电陶瓷驱动电源的设计与研究

压电陶瓷(PZT)微位移器是近年发展起来的新型微位移器件,其具有体积小,推力大,精度高等特点,驱动电源是压电陶瓷微位移器应用中的关键部件.该文通过研究直接数字频率合成技术(DDS)及任意波形发生器的相关技术,采用现场可编程逻辑器件(FPGA)与单片机相结合的模式成功设计了PZT驱动电源.测量结果表明,所设计的驱动电路输出电阻小,负载能力大,电路结构简单可靠,响应速度快,有良好的动态性能.     

基于压电超声导波的管道缺陷检测数值模拟

建立了压电材料与管道结构的超声与机械多物理场耦合有限元数值分析模型,采用ANSYS数值分析软件,在认识管道中导波频散特性的基础上,对利用压电陶瓷(PZT)激发的纵向导波进行数值模拟,探究压电超声用于管道损伤识别的机理。在管道模型的自由端周向分布16个PZT激励器激发入射导波,运用与之相距50mm处的PZT接收检测信号,对不同尺寸的单裂纹管道模型进行了数值模拟。结果表明,运用纵向导波检测能准确识别出管道缺陷的存在,且回波的幅值与缺陷尺寸有明显的正相关性,对接收信号时程进行分析可较准确地定位缺陷位置。     

活塞异形销孔加工的研究

依据汽车活塞采用异形销孔的必要性和国内外异形销孔加工的现状，采用压电陶瓷驱动的柔性铰链机构实现镗刀的径向微位移。根据活塞异形销孔几何特征和压电陶瓷驱动器的控制精度高、刚性好和大频响特点，在位置反馈的系统中引入重复控制和反馈通道的开不前馈控制，从而提高了系统的稳定性和跟踪精度。实验表明加工精度可达3μm。     

压电微位移致动器的研制及其应用

文章是以光纤光栅传感系统中匹配FBG光纤解调为背景展开研究的,对压电陶瓷的材料特性、压电陶瓷驱动电源的软硬件设计和压电微位移致动在匹配FBG光纤解调中的应用等问题进行了探讨,开发了实用的压电微位移致动器。针对压电陶瓷的容性负载特性,提出了驱动电源的设计方案,完成了驱动电源软硬件设计,构建了直流稳压电路、PA78组成的混合放大电路。实验表明,所研制的压电微位移致动器具有良好性能,可应用于光纤光栅传感系统的匹配FBG光纤解调中。     

压电驱动三维超微定位平台的性能研究

提出一种以柔性铰链结构为导向机构、压电陶瓷为驱动器的三维超微定位工作台,对三维超微定位工作台的非线性和动态特性的问题进行了研究,提出改善方法以提高系统的定位性能。将三维超微定位平台用于微操作机械手。     

斐索干涉仪中压电陶瓷的非线性校正

相移器是斐索干涉仪的核心部件,其关键为压电陶瓷(PZT)致动器,而其迟滞非线性特性严重影响了相移精度,对光学元件的形貌检测造成不利影响。该文首先设计了PZT的控制系统,利用National Instruments（NI）动态数据采集设备（PCIe 6321）、LabVIEW系统及电压放大器组成电压驱动系统产生驱动信号,利用电阻式应变仪、惠斯通电桥作为位移传感器采集位移;其次,提出了一种多项式模型及基于PZT传递函数的前馈开环校正算法对PZT进行建模及校正;最后,在实验系统上对该算法进行了验证。实验结果表明,校正后,相移器的相移误差可被改善,校正前、后位移差小于10%。该系统可有效校正非线性,从而降低非线性相移对测量结果的影响,满足检测光学元件面形的高精度要求。