直动式压电气动伺服阀阀芯运动系统建模分析

本文主要研究气动控制领域的直动式压电气动伺服阀.阀芯运动机构是该阀设计的核心部分,主要由作为动力源的积层式压电驱动器、柔性铰链微位移放大机构、阀芯、弹性回复机构以及相应的连接件组成.设计基于柔性铰链微位移放大机构的阀芯运动机构,结合有限单元法对阀芯运动机构进行静力学与动力学的仿真分析,验证理论分析,为直动式压电气动伺服阀总体设计以及控制策略的选择提供理论依据.     

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。     

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。     

叠堆式压电陶瓷驱动器的复合控制

提出了逆Bouc-Wen前馈控制与反馈控制相结合的复合控制算法,用于改善压电陶瓷驱动器对目标轨迹的跟踪性能。建立了压电陶瓷驱动器的Bouc-Wen迟滞动力学模型,并用粒子群算法(PSO)对该模型的参数进行识别。基于Bouc-Wen迟滞模型,提出了逆Bouc-Wen前馈补偿控制。最后,为消除迟滞模型的不确定性,引入比例积分(PI)反馈控制,并与前馈补偿控制构成复合控制算法。建立了基于dSPACE实时系统的压电陶瓷驱动实验平台,迟滞实验结果表明:压电陶瓷的迟滞误差量几乎为0,线性度高达96.5%;目标轨迹跟踪实验结果表明:复合控制算法的最大跟踪误差为0.180 5μm,均方根(RMS-Root mean square)跟踪误差为0.055 4μm,跟踪精度达到了10-8 m。相比于开环控制、前馈控制及PI反馈控制,提出的复合控制算法能够基本消除压电陶瓷的迟滞非线性,同时具有很好的轨迹跟踪性能。     

三维气动软体驱动器弯曲建模与分析

为设计弯曲性能优越的三维气动软体驱动器,针对单腔通气时驱动器的弯曲变形机理,展开了弯曲特性的研究。首先基于Yeoh模型的能量密度分布函数,结合驱动器弯曲时的静力平衡方程,建立驱动气压与驱动器弯曲角度变形的非线性数学模型;其次,通过数学模型分析气腔半径、中心圆半径以及壁厚对弯曲的影响,并通过建立单目标多约束优化模型寻找最优尺寸组合;然后通过有限元仿真,进一步研究两腔通气时驱动器弯曲角、偏转角与末端点坐标的变化规律。最后通过对比理论模型、有限元仿真、样机试验的数据。结果表明:在60kPa气压的范围内,理论结果、仿真结果与试验结果的表明上述分析参数对弯曲影响的趋势保持一致,从而验证了理论模型的正确性。上述研究为设计气动软体弯曲驱动器提供了可靠的理论基础。     

压电驱动器记忆特性迟滞非线性建模

考虑压电驱动器固有的迟滞特性对驱动器定位精度的影响,提出了一种精确描述压电驱动器迟滞非线性特性的建模方法.根据迟滞曲线的运动规律,并且考虑迟滞曲线的记忆更新特性,新的迟滞数学模型修正了单纯采用抛物线拟合时的建模误差.为了验证模型的有效性,以PST150/7/40VS12型压电陶瓷驱动器为例进行了试验研究.研究显示,采用抛物线迟滞模型对一阶反转输入信号进行预测时,最大误差为0.141 3 μm,均方误差为0.060 4 μm,对复杂信号模型预测的最大误差为1.396 0 μm,均方误差为0.856 6 μm;采用修正后的模型对文中复杂信号建模时,最大误差为0.237 0 μm,均方误差为0.09 μm.实验结果表明,修正后的模型不仅能够满足迟滞曲线的运动规律,还能够满足迟滞非线性的记忆更新特性,可以比较精确地描述复杂输人信号下的迟滞非线性特性.     

压电结构的有限元分析方法

提出了一种新的压电结构有限元分析方法，即压电薄板立体单元法。利用哈密顿原理推导出压电结构的变分方程，建立了智能结构的有限元动力方程。并以具有压电薄层的层合板为例进行了研究，证明了本文所用方法简单、正确     

压电驱动器的非线性模型及其精密定位控制研究

压电驱动器的非线性特性和迟滞特性是影响微动平台定位控制精度的主要因素。采用改进的Preisach模型对压电驱动器的迟滞特性进行建模，利用建立的Preisach模型进行开环精密定位控制和作为PID反馈控制的前馈环节的研究。实验结果表明，该模型能够有效地降低非线性迟滞特性对压电驱动器位移输出精度的影响，提高驱动器的动态响应特性。     

喷嘴挡板式压电伺服阀的研究

传统的电液伺服阀采用电磁马达作为驱动源，该文介绍的双喷嘴挡板式压电伺服阀是利用压电叠堆作为驱动源，给出了双喷嘴挡板式压电伺服阀的基本机构。对该伺服阈采用的压电叠堆和柔性铰链的特征参数进行了深入的研究，并通过试验初步验证了双喷嘴挡板式压电伺服阀的相关性能，进行了流量、压力特性的测试，分析了试验结果进行。     

超声切割用压电换能器理论设计及有限元仿真

基于波动方程和频率方程,建立了电镀金刚石线锯超声切割用压电换能器的解析模型,得到了压电换能器各组成部分的结构尺寸。借助有限元分析软件ANSYS对理论设计的压电换能器进行了动力学分析和优化设计,得到了压电换能器的优化模型。分析结果表明,有限元法对压电换能器的设计和分析具有很好的指导作用。这种换能器具有良好的性能,对下一步的应用研究有重要意义。     

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。     

基于神经网络的压电自感知主动控制仿真试验

由于传统的自感知电桥电路难以有效地实现自感知执行器传感与执行之间的信号分离,因此,提出了一种采用神经网络分离出压电自感知执行器传感信号的新方法,用神经网络直接估算结构的振动速度来得到振动控制时控制器的反馈信号.将嵌入在复合材料悬臂梁中的压电陶瓷片作为自感知执行器,采用基于Filter-X LMS算法的自适应滤波控制器对悬臂梁的振动进行主动控制.结果表明神经网络估算得到的振动速度和用传感器直接测得的完全吻合,将神经网络的输出作为控制器的反馈信号可以取得理想的减振效果.     

Design of Floating Mass Type Piezoelectric Actuator for Implantable Middle Ear Hearing Devices

To overcome some of the problems inherent in conventional hearing aids such as low gain at high frequencies due to acoustic feedback, discomfort in occlusion of the external ear canal and so on, implantable middle ear hearing devices (IMEHDs) have been developed over the past two decades. For such kinds of IMEHDS, this paper presents the design of a floating mass piezoelectric actuator using a PMN-30%PT stack as a new type of vibrator. The proposed piezoelectric actuator consists of only three components of a piezoelectric stack, a metal case and a clamp. For the purpose of aiding the design of this actuator, a coupling biomechanics model of human middle ear and the piezoelectric actuator was constructed. This model was built based on a complete set of computerized tomography section images of a healthy volunteer's left ear by reverse engineering technology. The validity of this model was confirmed by comparing the motion of the tympanic membrane and stapes footplate obtained by this model with published experimental measurements on human temporal bones. It is shown that the designed actuator can be implanted on the incus long process by a simple surgical operation, and the stapes footplate displacement by its excitation at 10.5 V root-mean-square(RMS) voltage was equivalent to that from acoustic stimulation at 100 dB sound pressure level(SPL), which is adequate stimulation to the nssicular chain. The corresponding power consumption is 0.04 mW per volt of excitation at 1 kHz, which is low enough for the transducer to be used in an implantable middle ear device.     

智能压电复合结构的有限元建模与位置优化

针对压电复合薄板结构,提出一种新的有限元建模方法。在经典五自由度壳单元基础上,结合压电本构方程,利用多层板分析理论,构建了一种新的压电shell单元。采用该单元建模与采用现有商业软件实体压电单元建模相比,网格数量和自由度都大大降低。利用该单元对压电复合结构进行建模,在系统可观性Gramian 矩阵特征值的基础上,提出一种描述系统可控性能的指标,并以该指标构建适应度函数,利用遗传算法优化压电片的分布。按照优化结果进行布置,通过适当的激励,可以对结构各阶模态进行有效控制。     

基于AMESim的压电式水压伺服阀的研究

首先对水压伺服阀的智能驱动器压电驱动器作了介绍,建立压电驱动器的数学模型,并在Simulink中建立仿真模型,分析其动态响应性能;然后设计一种压电式水压伺服阀,在AMESim中建立其模型,并进行了仿真分析。     

基于d15变形压电致动器动静耦合激励分析

为研制一种大行程、高精度的压电致动器,以夹心式换能为机理,提出一种基于d_(15)动静耦合激励的新型压电致动器。对比优化设计的Cymbal压电叠堆与普通压电叠堆,分析了3种致动模式:d_(31)模式、d_(33)模式和d_(15)模式。利用有限元仿真方法和相关测量试验分析了机构的位移输出量,得到在有限元仿真软件平台中,Cymbal压电叠堆能有效地将d_(15)径向变形转化为轴向变形,其d_(15)模式形变量是d_(31)模式形变量的6.35倍,是d_(33)模式形变量的1.66倍;压电致动器在d_(15)动静耦合激励下的最大位移输出量(8.78×10~(-4) m)是d_(15)静态直流激励(6.45×10~(-5) m)的13.61倍,是d_(15)谐振交流激励(7.80×10~(-4) m)的1.13倍。测量试验发现,压电致动器产生的最大输出位移随着电压的增大呈近似线性增加,当电压为100V时,压电致动器产生的最大输出位移为8.11×10~(-4) m,证明了d_(15)致动模式下动静耦合激励的可行性。     

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。     

基于UG的焊缝建模和有限元分析技术

利用UG的焊接助理模块和高级仿真模块实现了焊缝的实体建模和有限元分析过程。考虑到焊缝结构尺寸对焊缝强度的影响,提出了从结构角度出发建立焊缝的有限元模型,利用UG NX4的刚性杆单元模拟焊缝的焊接,并比较了3种尺寸类型的焊缝在两种工况下的应力情况。结果表明,UG NX4的刚性杆单元可以真实地模拟焊缝的焊接;坡口夹角对焊缝强度影响较大,有无钝边对焊缝强度影响较小。     

基于有限元法的胶管阀阀体改进设计

针对胶管阀在浇注过程中由于受到挤压,经常容易出现疲劳受损情况,以胶管阀阀体为研究对象,建立物理模型,展开受力分析,运用有限元分析软件ANSYS对其做仿真计算,根据仿真结果对阀体进行加入筋板的改进设计,结果表明,改进后胶管阀阀体受力情况明显改善.