应用惯性冲击原理的非对称夹持式压电旋转驱动器的设计

针对目前压电驱动器主要使用非对称锯齿波电信号驱动压电晶体实现驱动的现状,采用对称电压信号驱动压电振子,设计了非对称夹持式压电旋转驱动器。用对称波电信号作用在压电双晶片振子上,产生正反两个方向大小不同的周期性惯性冲击力,驱动机构实现旋转位移。建立了压电旋转驱动器的动力学模型,分析了非对称夹持旋转驱动器实现大小不同惯性冲击力的原理以及压电旋转驱动器的运动过程。组成了压电旋转驱动器的测试系统,在不同电压幅值、频率的方波激励下,对压电旋转驱动器的平均步长进行了测试。结果表明:非对称夹持式压电旋转驱动器能实现较稳定的单向转动,最大行程为360°,最大承载能力超过300g,步长分辨率为5μrad,最大转动速度为4000μrad/s;驱动器样机在20V、2Hz的方波激励下,平均运动步长为12μrad,转动速度为24μrad/s。     

非对称夹持惯性压电旋转驱动器

以惯性压电旋转驱动器为研究对象,提出一种新型非对称夹持惯性压电旋转驱动器的研究方案。该驱动器以压电双晶片振子为驱动元件,采用对称方波电信号为激励信号。通过特殊设计的非对称夹持结构,惯性压电旋转驱动器可产生明显的惯性驱动力差,实现单向旋转动运动。建立基于Lugre摩擦模型的压电旋转驱动器动力学仿真模型,对压电旋转驱动器动态特性进行仿真分析,进一步设计研制非对称夹持惯性压电旋转驱动器样机,进行试验研究,试验证明研制的样机可以实现大行程(360°)、高分辨率(2μrad)、高旋转步长(146.36μrad)的稳定转动。仿真分析和试验研究结果吻合较好,表明研制的非对称夹持惯性压电旋转驱动器具有定向驱动作用。     

基于非对称夹持的压电旋转驱动器设计

设计了一种新型非对称夹持压电旋转驱动器。通过对称性电信号激励粘贴在基板上的压电晶片,使基板自由端带动质量块非对称地往复摆动,进而产生非对称的惯性驱动力,实现压电旋转驱动器的定向运动。研制了非对称压电惯性旋转驱动器样机,搭建了驱动器的测试系统,对驱动器步长、摩擦力矩、载荷特性等进行了测试。结果表明,驱动器在电压为15V、频率为10Hz、夹持差为3mm时,步长分辨率为1.82μrad,摩擦力矩为2.475N·mm条件下的最大输出载荷为0.122N。     

压电惯性驱动器惯性冲击力的分析与检测

由于惯性冲击力是压电惯性驱动器产生运动的关键,故本文探讨了方波激励下压电振子的惯性冲击力大小。推导了压电双晶片振子在方波激励下的冲击响应,分析了惯性冲击力的时域特性和幅频特性,分析得到方波激励下惯性冲击力信号频率主要集中在0~500Hz。采用加速度传感器初步测试了压电双晶片振子的加速度参数,测试结果与理论模型相近。结合压电双晶片振子的端部惯性质量计算得到惯性冲击力的数值,利用快速傅里叶算法获得了加速度参数的幅频特性。最后,采用摩擦学的方法对惯性冲击力的数值进行了验证,验证结果表明两种方法的最大相对误差为8.98%,表明加速度传感器测试惯性冲击力是可行的。     

压电双晶片型惯性冲击式旋转精密驱动器研究

研制了一种以自由端带有集中质量的悬臂式压电双晶片为驱动单元的新型惯性冲击式旋转精密驱动器。对自由端带有集中质量的悬臂式压电双晶片的动态特性进行了有限元法和实验分析,提出了压电双晶片型惯性冲击式精密驱动器特定的定频调压驱动方法。对压电双晶片型惯性冲击式旋转精密驱动器进行了性能测试,驱动器旋转行程为180°、旋转步长分辨力为1μrad、最大转速为0.2 rad/min、最大扭矩为0.02 Nm。该驱动器结构简单,特别是成本为传统惯性冲击式驱动器的1/100左右。     

机械控制式惯性压电旋转驱动器

以惯性压电旋转驱动器为研究对象,对比研究了非对称式惯性压电旋转驱动器和变摩擦力式惯性压电旋转驱动器的运动特性。分析了两种驱动器的工作原理,设计、制作了试验样机,搭建了测试系统并对两种压电旋转驱动器进行了对比试验测试。结果显示:在8Hz方波电信号的激励下,非对称式压电驱动器的旋转步距大于变摩擦力式旋转驱动器;当驱动电压为100V时,非对称式与变摩擦力式压电驱动器的回退率分别为73.19%、65.67%;在40V、8 Hz的方波激励下,非对称式与变摩擦式压电驱动器的线性度残差平方和与重复性标准差分别为0.031、0.069与0.011、0.063。试验结果表明:与变摩擦力式驱动器相比,非对称式驱动器的输出步距及回退率更大,具有较高的线性度和重复性。     

悬臂式压电双晶片振子夹持长度变化对其动态特性的影响

以惯性压电驱动器的关键部件——悬臂式压电双晶片振子为研究对象,探讨了悬臂式压电双晶片振子的夹持长度变化对其动态特性的影响规律。首先,建立了悬臂式压电双晶片振子静态参数方程和动力学模型。然后,应用matlab软件仿真分析了夹持长度变化对悬臂式压电双晶片振子的端部位移幅值和惯性加速度幅值的影响。最后,分别测试了悬臂式压电双晶片振子在不同夹持长度下的端部位移幅值以及惯性加速度幅值。结果显示:驱动电压为10V,频率为11Hz,悬臂式压电双晶片振子的夹持长度在9~20mm内变化时,其端部位移幅值最大为66.2μm,产生的惯性加速度幅值最大为10.2ms-2。仿真和试验结果表明:激励电场相同时,随着悬臂式压电双晶片振子的夹持长度增大,其端部位移幅值会变小,而其产生的惯性加速度会变大。     

具有偏置结构的非对称惯性压电旋转驱动器

为改善惯性压电驱动器输出性能,提出了一种新型具有偏置结构的非对称惯性压电旋转驱动器。在非对称夹持的基础上,定义了一种偏置结构。为了解偏置结构对驱动器输出性能的影响,建立了机构的力学模型方程,推导并仿真分析了驱动器的动力学特性。设计、制作了试验样机,搭建了试验系统;进行了试验测试并与无偏置结构驱动器进行了性能对比。结果表明:偏置距离为15mm时,驱动器输出步距角速度最大。与无偏置结构驱动器相比,驱动电压为100V、23Hz时,驱动器输出最大角速度从3.48rad/s增加至5.39rad/s,增幅达54.88%,驱动器最大驱动力矩从2.41N·mm增加至3.62N·mm,增幅达50.2%;驱动电压为100V,4Hz时,驱动器稳定运行时的承载量达1 300g。理论与试验结果表明,提出的有偏置结构的驱动器具有输出步距角速度和驱动力矩更大的特点。     

新颖惯性冲击原理的二自由度压电旋转关节研究

研制一种利用悬臂梁压电双晶片组成对称结构为驱动单元的基于惯性冲击驱动原理的二自由度压电旋转关节,可用于机械关节式精密旋转定位操作系统。该关节整体结构为对称式设计,利用锯齿波对压电双晶片进行激励产生驱动力矩,通过压缩弹簧调节预紧力建立该压电旋转关节的三维模型,对压电振子结构运用Comsol软件分析静态变形和固有振动特性,分析结构参数对压电振子固有频率的影响,为二自由度压电旋转关节设计和制作提供关键依据。     

新型压电旋转驱动器的设计与性能测试

为了降低压电旋转驱动器的成本,提高承载能力,实现分辨率可调,设计研制一种新型压电旋转驱动器。驱动器采用单个压电堆栈作为原动件,经二级位移放大机构将压电堆栈的变形进行放大,再通过运动转换将放大后的直线运动转化为棘轮转子的旋转转动。制作了压电旋转驱动器样机,对其进行试验测试。试验结果表明:驱动器的输出转角具有很好的可控性,当驱动电压分别为200 V、350 V和650 V时,可获得三种稳定的单步输出转角,旋转分辨率为0.034 9 rad,最大承载扭矩为0.392 N·m。频率为20 Hz时,最大运转速度为2.094 4 rad/s。该驱动器在降低成本的同时,还具有分辨率可调、运转速度较高和承载能力强的优点,在精密驱动和大转角驱动领域有较大的应用潜力。     

Impact drive rotary precision actuator with piezoelectric bimorphs

An impact drive rotary precision actuator with end-loaded piezoelectric cantilever bimorphs is proposed. According to finite element analysis and experiments of the dynamic characteristics of end-loaded piezoelectric cantilever bimorphs, a specific fixed-frequency and adjustable-amplitude is confirmed to control the actuator. The results show that an actuator excited by fixed-frequency and the adjustable-amplitude ramp voltage waveform works with a large travel range (180°), high resolution (1 ?rad), speed (0.2 rad/min) and heavy-load ability (0.02 Nm). With advantages of high-precision positioning ability, simple structure and only one percent the cost of traditional impact drive mechanisms, the actuator is expected to be widely used in precision industries.     

Impact drive rotary precision actuator with piezoelectric bimorphs

An impact drive rotary precision actuator with end-loaded piezoelectric cantilever bimorphs is proposed. According to finite element analysis and experiments of the dynamic characteristics of end-loaded piezoelectric cantilever bimorphs, a specific fixed-frequency and adjustable-amplitude is confirmed to control the actuator. The results show that an actuator excited by fixed-frequency and the adjustable-amplitude ramp voltage waveform works with a large travel range (180°), high resolution (1 μrad), speed (0.2 rad/min) and heavy-load ability (0.02 Nm). With advantages of high-precision positioning ability, simple structure and only one percent the cost of traditional impact drive mechanisms, the actuator is expected to be widely used in precision industries. __________ Translated from Optics and Precision Engineering, 2005, 13(3): 298–304 [译自: 光学精密工程]     

串联臂压电微电机驱动机理的研究

二级串联压电双晶片（串联臂）一端固定时，在特定的电信号控制下，自由端将沿椭圆轨迹运动。以串联臂为驱动元件，可用来驱动端面与其相接触的转子转动，构成串联臂压电微电机。研究了串联弯曲臂压电微电机的工作原理，设想了串联臂压电微电机的结构。     

压电电机的设计与实验研究

基于对压电陶瓷材料的特性研究,利用压电陶瓷的逆压电效应,压电陶瓷双晶片通过组合设计得到压电驱动元件,分析了在电激励条件下,压电陶瓷双晶片悬臂端振动通过摩擦力和惯性力驱动转子转动并输出转距的原理,研制了一种基于摩擦式的压电电机.研究了压电电机输出转速、转矩特性与激励电压频率之间的关系,试验表明:压电电机具有良好的输出特性,响应快、发热很少、转动平稳且可实现双向回转,结构简单,容易实现闭环控制.此设计为进一步研究实用的小型化、低成本、高效率的压电电机提供了一种新的设计方法.     

串联弯曲臂压电微电机机理初步研究

把两片压电双晶片(PZT Bimorph)串联在一起,构成串联弯曲臂.一端固定,另一端自由时,在相位差为π/2的一定频率的方波信号驱动下,弯曲臂的自由端将形成类似椭圆的运动轨迹.以串联弯曲臂为驱动元件,可用来驱动与其端面相接触的转子转动,构成串联弯曲臂式压电微电机.本文将对串联弯曲臂的驱动机理进行分析,在新的微小尺寸驱动机理研究的椭圆运动的基础上,研制了串联弯曲臂压电微电机的样机,并且对样机的性能参数进行测试,转速可以达到110rpm,输出转矩可以达到22.5μNm.     

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。