基于粘滑驱动的球基微操作器动力学建模与分析

球基微操作器是一种广泛应用于微纳米精密作业的微机器人系统,由基座、微操作球和顶端嵌有红宝石球的3根四分压电陶瓷管组成.基于此,通过驱动压电陶瓷管弯曲或摆动,依靠红宝石球与微操作球间惯性摩擦形成的相对位移实现微操作球3自由度的运动.这种摩擦运动中存在粘滑现象,粘滑驱动带来的非线性导致球基微操作器动力学性能复杂.在简化球面高副连接的条件下,建立具有粘滑特性的微操作器系统动力学模型.基于动态摩擦模型,运用数值方法分析多个参数对微操作器运动性能的影响,通过仿真手段完成模型验证.进行微操作器运动测试试验,进一步验证所建立的动力学模型的正确性和有效性.     

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.     

一种新型微装配系统的设计与研制

研究了微小器件装配的特点和计算机视觉反馈引入微装配作业的优势，在此基础上提出了一种新型的微装配系统设计方案，并研制出了样机。整个系统由显微图像采集子系统和微操作子系统两大部分构成，通过计算机将其整合在一起。设计分析和实验表明：该样机可用于尺寸小于1mm的典型微小器件的计算机视觉反馈装配作业研究。     

球基微操作器黏滑摩擦过程建模与分析

球基微操作器通过压电陶瓷管端部与微操作球之间惯性摩擦形成的相对位移实现微操作球三自由度的运动,这种摩擦运动中存在黏滑现象。在简化球面高副连接的条件下,建立了球基微操作器双质量摩擦振子等效工程模型,对球基微操作器黏滑驱动过程进行了阶段细分,基于等效工程模型及动态LuGre摩擦模型建立了黏滑摩擦过程的动力学方程。运用数值仿真方法分析了球基微操作器的参数特性曲线,进行了运动测试实验,进一步验证了分析的正确性。     

基于MEMS工艺的高能量密度微电磁驱动器

提出了制作高能量密度电磁驱动器的工艺方法。利用微机械(MEMS)工艺在硅片上得到多匝平面线圈和磁芯的掩模图形,接着沉积种子层铜(Cu),然后对种子层进行整体Cu的电铸;当种子层生长到20 μm左右时,剥离硅片表面的镀层并用光刻胶保护磁芯位置的镀层;再用沿线电铸的方法对线圈进行电铸;最后保护制作好的线圈镀层,电铸NiFe合金材料。在10 mm×10 mm×0.38 mm的硅片上,制作出线圈匝数22×2(铜线截面积60 μm×60 μm、总长度达1 164 mm)、NiFe合金磁芯尺寸为3 mm×3 mm×0.2 mm的高能量密度微型电磁驱动器。把这种微型驱动器应用于无阀微泵做驱动实验:通入0.3 A的正弦电流时,微驱动器产生约50 mN的电磁力。实验结果表明:这种型微电磁驱动器在相同的输入功率下,比同类其他微电磁驱动器具有更高的能量密度,能产生更大的电磁驱动力。     

一种压电驱动微操作器及其释放位置精度分析

报道了一种利用压电陶瓷双晶片驱动的适用于尺寸在20~200 μm之间微器件装配操作的微操作器。夹持臂尖端直径约15 μm,在80 V的电压驱动下闭合约200 μm的距离。通过理想操作模型分析了微器件释放的位置误差来源和提高微器件释放位置精度的方法,并进行了高分子小球的排列和释放实验。在相对湿度50%的环境下对直径约170 μm的高分子小球的操纵中,实现了2 μm的释放位置精度。实验表明本微操作器能高精度地完成微器件的拾取、移动和释放操作。     

具有三层结构的SU-8胶V形微电热驱动器

为解决SU-8胶微电热驱动器在工作过程中存在平面外运动的问题,提出了一种具有铜-SU-8胶-铜三层对称结构的新型SU-8胶V形微电热驱动器.采用刚度矩阵方法建立了包含被驱动结构刚度的微电热驱动器力学模型,并针对一种柔性微夹钳,利用该模型对微电热驱动器进行了几何参数设计.利用Ansys仿真软件对所设计微驱动器进行了分析,仿真结果验证了所建模型的合理性.提出了一种新的MEMS加工工艺来制作三层结构微电热驱动器,并测试了它的性能.结果表明,实验结果与仿真结果相差不大,在150mV驱动电压下,所设计微驱动器温度仅升高约32.93℃,并对微夹钳产生约2.5 μm的输入位移,使微夹钳产生126μm的钳口距离改变量.微驱动器仅消耗大约30.35 mW的功率,钳口的平面外运动小于500 nm.最后,利用微电热驱动器驱动的微夹钳成功地对一个长1.2 mm,宽135μm,厚50μm的SU-8胶材料微型零件进行了微操作实验,实验证明了微驱动器实际性能基本满足设计要求.     

基于惯性冲击原理的非对称夹持式压电旋转驱动器的实验研究

针对目前压电驱动器主要使用锯齿波这种非对称波电信号驱动压电晶体实现驱动的现状,设计了非对称夹持构件,提出了非对称夹持压电双晶片振子的旋转驱动器的结构设计方案,使对称波电信号作用在压电双晶片振子上,产生正反两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,并分析了非对称夹持旋转驱动器实现大小不同的惯性冲击力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360°,最大承载能力超过300g,步长分辨率5µrad,最大转动速度4000µrad/s;驱动器样机在20V、2Hz的方波激励下,平均运动步长12µrad,转动速度24µrad/s。     

基于模式识别的压电精密驱动与控制系统

提出了基于图像识别技术的精密驱动与控制系统,以及将驱动系统分为步进电机丝杠的宏驱动系统和压电驱动器的精密驱动系统,并将两者有机地结合成完整宏/微的驱动系统。并且提出了基于计算机视觉技术与串口通信技术相结合的控制系统。这个精密驱动与控制系统的微操作平台连接上不同的机械执行机构就可以用于不同的精密加工和制造系统中。     

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]     

一种单稳态微电磁继电器的研究

优化设计出一种微电磁继电器,介绍了其驱动原理,通过对微电磁继电器的电磁驱动力及活动衔铁的位移进行分析计算,设计了微电磁继电器的三维结构,以增大磁路效率,减小漏磁通,从而增加电磁驱动力。采用MEMS加工工艺,试制了该新型微电磁继电器的样件,其尺寸为5 mm×5 mm×1 mm,它由上磁路、下磁路、平面励磁线圈、固定触点和活动衔铁等部分组成。微电磁继电器的平面励磁线圈电阻约20 Ω,外加5 V电压时,微电磁继电器可实现吸合动作。吸合后,微电磁继电器的导通电阻为14.5 Ω,继电器的响应时间为1 ms。     

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。     

一种新型仿蜗牛微机器人的研究

介绍一种采用直线电机为驱动器的新型仿蜗牛蠕动的微机器人的运动原理和驱动机构。该微型机器人由两个阶梯型平板机体和一个直线驱动器组成，运动原理与蜗牛的爬行原理相似，实验表明，微型机器人的前进速度随着直线驱动器速度、粘液粘度的增大而增大；微型机器人可以在很少粘液，也可以完全浸没在粘液中正常而有效地工作。     

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.     

利用体块PZT制备膜片式压电微泵

利用锆钛酸铅(PZT)的逆压电效应,设计并制备了膜片式压电微泵。通过将电能转换为机械能,实现了液体的微流体控制。微泵由微驱动器与单向微阀两部分组成;微驱动器主要为液体流动提供驱动力,单向微阀则用于精确控制液体的流动方向。通过对PZT-Si膜片的位移量、位移形状的仿真分析,确定了微驱动器的设计尺寸,并估算其液体驱动性能。利用共晶键合工艺、研磨减薄工艺、硅深反应离子刻蚀工艺和准分子激光加工工艺等制备出了微驱动器和单向微阀。最后,设计了驱动测试实验,检测了微泵的液体驱动性能。测试结果表明:所制备的膜片式压电微泵驱动的谐振频率约为70kHz,能驱动微米量级的液体位移或运动。当微泵驱动电压为30Vp-p、频率为600Hz时,液体的驱动流速约为65μL/min。该微泵具有体积小,线性度好等特点。     

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。     

非线性模型的压电元件复合控制方法

研究了压电元件的非线性及其复合控制问题。依据压电元件全程及局部伸长和缩短的实验数据,提出了一种根据外环曲线参数及当前坐标值确定比例系数,进而确定内环伸长曲线的数学模型。实验表明,这种全面反映内、外环曲线的非线性数学模型对上升和下降过程的最大拟合误差在全程范围内分别为1.2%和2.0%。利用此模型,可在压电元件非线性外环曲线及目前电压-伸长量已知的情况下,求出其下一时刻上升或下降的路径。以此模型为基础,构造了一种压电元件前馈复合控制算法,在输入峰-峰值为4 μm位移的情况下,得到了280 Hz的闭环带宽。同普通PID控制算法相比,带宽提高了30%以上。