基于柔性铰链放大的压电叠堆泵

基于压电和精密驱动技术,利用压电叠堆作为驱动器,结合柔性铰链位移放大机构设计了流体泵样机,进行了试验研究。分析了压电叠堆Tokin AE0505D16的滞环特性,从理论上研究了该压电叠堆的刚度特性和快速响应特性。设计制造了用于位移放大的柔性铰链放大机构,对柔性铰链放大机构扭转变形和转角刚度的影响因素进行了理论分析,确定了所设计的柔性铰链放大机构各结构参数;测试了柔性铰链放大机构在不同电源激励下的动态响应、幅频特性、迟滞特性、输出力与输出位移特性,得出了影响放大机构放大倍数和输出特性的因素。利用有限元分析软件对放大机构进行了分析,进一步验证了放大机构的可行性和安全性。通过改变试验参数(电压、频率),对压电叠堆泵样机进行了实验研究,分析了输入电压、输入频率对泵输出流量和输出压力的影响程度。     

大变形柔性铰链的多簧片构型

如何设计大变形的柔性铰链是目前进行柔性铰链研究的方向和热点之一。讨论了几种典型大变形柔性铰链的结构形式及特点,提出了应用多簧片构型设计大变形柔性铰链的参考方法,并根据此方法设计了一种具有较大转动范围的多簧片构型的柔性铰链,应用有限元方法进行了分析及实验研究。实验结果表明,这种多簧片串并联构型的柔性铰链具有较大的转动范围、转动柔度和较小的径向刚度。     

一移两转平板折展柔性铰链的建模及优化

为提高平板折展机构(LEMs)的灵活性,提出一种一移两转三自由度平板折展柔性铰链.综合考虑各柔性片段的变形特点,设计一移两转平板折展柔性铰链的外形结构;利用等效弹簧模型推导该铰链沿x轴、y轴方向的转动等效刚度及沿x轴方向的移动等效刚度的理论计算模型,并通过设计实例的理论计算结果和仿真分析结果对比,验证刚度计算模型的正确性;探讨各结构参数对3种等效刚度的影响灵敏度;以提高铰链的转动性能和移动性能为目标,构建一移两转平板折展柔性铰链的多目标加权优化模型,并利用基于罚函数的粒子群算法对各结构参数进行优化.结果表明:优化后的一移两转平板折展柔性铰链的各项性能都有较大提升,优化模型具备可行性.     

基于两种柔性铰链压电陶瓷柔顺微夹钳性能分析

柔顺微夹钳在微操作领域和微装配过程中与被夹持物直接接触,作为微操作和微装配系统中的末端微执行器,对实现微操作和微装配任务起重要的作用。设计一种基于直圆柔性铰链和簧片型等腰梯形柔性铰链的柔顺微夹钳机构,通过理论计算推导出等腰梯形柔性铰链的转动精度和转动刚度。采用压电陶瓷驱动方式,实现了位移的放大和夹爪位移的平行移动。建立了柔顺微夹钳的机械伪刚体模型,并利用伪刚体模型法建立了运动学模型,计算出位移放大倍数,得到了输入力、输入位移与输出位移的关系。通过有限元方法对系统建立的模型进行了仿真分析验证,结果表明理论计算结果与仿真结果一致。     

基于ANSYS的差动式位移放大机构性能分析

柔性铰链具有无空回、无摩擦、无间隙、无噪声、无磨损、运动灵敏度高等特点.基于柔性铰链设计了一种针对超磁致驱动器的差动式位移放大机构,并采用有限元分析软件ANSYS对位移放大机构进行仿真分析.分析结果表明,位移放大机构的放大倍数较大,强度满足要求,动态特性较好.设计的位移放大机构对高精度、大行程输出的精密驱动器件的实现具有参考价值.     

含柔性铰链柔顺机构的驱动性能分析

以含柔性铰链的平面柔顺曲柄连杆机构为研究对象,建立伪刚体模型.通过对伪刚体模型进行动力学分析,推导出一种新的含柔性铰链的平面柔顺机构驱动力矩的计算方法.算式表明,平面柔顺机构的驱动特性与机构中柔性铰链之间存在着内在关系.根据算例分析结果可知,含柔性铰链的柔顺机构的最大驱动力矩可通过改变柔性铰链的刚度和柔性铰链未发生变形时机构的初始位置来减小.计算了当柔性铰链的刚度及初始位置达到最优时最大驱动力矩的缩减比,为平面柔顺机构的优化设计提供了依据.     

柔性铰链的转动精度改进法

传统切口型铰链在转动时存在转动中心的漂移,如果柔性铰链转动角度不是很大,铰链的转动中心在沿轴向的位移远小于在垂直轴线方向的位移时,则可对柔性铰链转动中心漂移模型进行简化.提出了将连接两刚体的两个切口型铰链正交放置且让转动中心轴线重合,以便抑制柔性铰链转动中心漂移的设计方法.引入了平面虚拟转动中心运动机构,实现了铰链之间的虚拟交叉约束.使用此方法可以对不同切口形状的铰链进行改进,以提高铰链的转动精度.设计了圆弧切口和直角切口的组合铰链,通过有限元仿真与传统形式的铰链进行了比较,仿真结果证明了这种方法的有效性.     

平面柔性铰链导向机构刚度分析与实验测试

柔性导向机构是精密仪器设计中的一种重要的导向形式,其在导向方向的刚度计算是机构设计的关键技术.基于材料力学的弯矩方程,推导出平面柔性铰链的抗弯刚度解析式,并采用能量法求解出平面柔性铰链导向机构的刚度解析式.为验证解析公式的正确性,设计并加工了平面柔性铰链导向机构,在精密弹簧拉压实验仪上进行刚度测试,实验结果与理论计算结果进行对比,二者的相对误差为4.7%,证实了解析公式的正确性.     

倒圆角柔性铰链位移传动机构的设计和分析

为了减少单方向上的装配空间,设计一种倒圆角柔性铰链的位移传动机构,用于改变压电型直线促动器的力-位移方向。利用Matlab对倒圆角柔性铰链的刚度计算公式编程,分析各设计参数对刚度的影响程度。通过对固定端的柔性铰链的强度分析以及机构的传动要求,确定合理的设计几何参数,并基于ANSYS有限元分析对设计进行验证。结果表明：这种设计方法更加简洁、准确、快捷。为此类传动机构设计提供一定的依据。     

平面柔性铰链机构自动建模方法

从图论的基本概念出发,得到了柔性铰链机构有向图表示,并针对平面柔性铰链机构提出一种改进的双色图表示方法．通过十字链表的数据结构形式将柔性铰链机构的双色图表示映射到计算机中,按照所需的运算顺序遍历双色图,依次调用相应的函数表达式,从而实现了柔性铰链机构运动静力学模型的自动生成．以差分微位移放大机构为例,将基于图表示的平面柔性铰链机构自动建模方法计算结果与有限元仿真分析结果对比,两者的相对误差为4.89％,表明该自动建模方法是可行的．     

基于MEMS技术的薄膜残余应力检测技术

薄膜材料在制备中都会产生一定的残余应力,而薄膜中残余应力的大小对整个微机电系统的性能和可靠性具有很大的影响.讨论了几种典型的残余应力检测方法,并分析了各自的特点.在此基础上,提出了一种整合微指针结构驱动器和测量探针的新型残余应力测试方法.其核心是设计出一种基于扫描探针的薄膜残余应力在线检测系统.     

Elastic Model of Flexure-Based Linkage under Motion Constrains and External Load

一种面向运动约束与负载作用下柔性连杆的弹性模型

李培波¹,刘积昊²,赵天兹²,朱荷蕾³,赵言正²

（1 东华大学 机械工程学院,上海 201620;

2 上海交通大学 机械系统与振动国家重点实验室,上海 200240;

3 嘉兴学院 机械电子工程学院,浙江 嘉兴 314001）

创新点说明：

1） 提出一种用于描述运动约束下的柔性铰链基柔性连杆在外部负载作用下的运动特性的简化弹性模型。

2）提出一种基于柔性连杆机构的微型柔性位移放大机构,用于提高薄膜微泵吸盘负压吸附力。

研究目的：

根据柔性机构设计与应用要求,为简化柔性机构优化分析难度提出一种面向运动约束与外部负载作用下的柔性连杆运动性能分析简化建模方法,用于优化柔性机构的位移放大比、输入刚度、机械传递效率等运动性能,利用该建模方法设计优化一种用于增强薄振动的柔性位移放大机构。

研究方法：

1. 基于欧拉-伯努利弹性梁理论与对称机构的位移约束条件,建立运动位移约束与外力负载约束下的柔性连杆运动性能模型

2. 利用ANSYS有限元软件静态结构仿真验证所提出的弹性建模方法。

3. 采用MEMS工艺加工出样机,利用压电致动器驱动,同时采用点激光位移传感器测量机构的输出位移。

4. 采用负压传感器通过测量集成微型机构的微泵吸盘负压吸附特性。

结果：

1）根据与有限元仿真的对比法向,提出的弹性模型能够有效的反映出柔性连杆

2）采用MEMS工艺加工的的微型位移放大机构和薄膜微泵吸盘具有紧凑的尺寸,位移放大机构尺寸：直径15 mm,厚度0.5 mm,重量：0.17 g,薄膜微泵吸盘尺寸：直径15 mm,高度：2.7 mm。

3）柔性机构的位移放大比为6.56。

4） 薄膜微泵吸盘在致动器固有频率13.2 kHz产生最大负压吸附压强2.45 KPa。

结论：

1）提高柔性机构中柔性铰链的转动柔度,可以提高柔性放大机构的位移放大比,但是会导致机构的负载性能下降,柔性铰链柔度过高会导致机构在外部负载作用下的运动性能退化。

2）柔性放大机构的负载能力与输入刚度与材料弹性模量正相关,采用高弹性模量材质的柔性机构负载能力较强,但是会导致机构的机械能传递效率下降。

3）基于微型薄膜微泵的仿生负压吸盘具有结构紧凑、质量轻等优点,MEMS工艺适用于大批量生产作业,可用作微型负压吸附机构。

关键词：弹性模型,柔性机构, 运动学性能

     

介电可调薄膜材料及压控微波器件研究

利用介电可调薄膜材料的调谐特性研制的介质压控微波器件高频特性好、功率容量大、响应速度快,还有易集成、功耗小、成本低、可靠性高的特点,相比半导体管、铁氧体以及MEMS器件有明显的优势。该文系统介绍了近年来国内外介电可调薄膜材料及压控微波器件的研究进展,并结合作者的工作评述了介电可调薄膜材料和压控微波器件的应用情况。除研究最为集中的钛酸锶钡BaxSr1-xTiO3(BST)材料,还介绍了具有较高调谐率的铋基焦绿石铌酸铋镁Bi1.5MgNb1.5O7(BMN)薄膜材料,该材料介电损耗低(约0.002),介电常数适中(约86),温度系数小,是一种极具发展前景的微波介电可调材料。     

注射机五孔斜排双曲肘合模机构的运动及力学模型的建立

利用机构学的方法对注射机五孔斜排双曲肘合模机构进行运动和力学特性分析，系统地建立运动及力学模型，它包括动模板行程、合模油缸行程、动模板移动速度、力的放大倍数、最大启模角、合模力、临界角、系统刚度、合模油缸推力等，为五孔斜排双曲肘合模机构的合理设计乃至优化设计提供了理论依据。     

多晶硅薄膜疲劳特性片外测试方法

多晶硅是微机电系统(MEMS)表面制造工艺的主要结构材料,其疲劳特性是影响MEMS器件可靠性的一个重要因素,因而,研究多晶硅薄膜材料的疲劳特性具有广泛的实际意义.国外主要采用片上测试方法研究多晶硅薄膜的疲劳特性,本文发展了一种新型片外测试方法,利用压电驱动、电容位移检测和高精度CCD图像实时监控技术,全面测试了多晶硅薄膜的疲劳性能.并通过对实验数据的W e ibu ll方法处理,得到了拉伸状态下带缺口和不带缺口的多晶硅薄膜的应力-循环周次曲线.该方法大大降低了对试件制造工艺性的要求,能够有效地测量薄膜的疲劳性能.     

静不平衡测量系统柔性杠杆机构分析优化

以质心投影法为主要测量原理,柔性杠杆机构为桥梁,设计一套多框架机构静不平衡测量系统,分析测量原理特性表明:降低柔性杠杆输出端柔度能够有效提高系统测量精度。基于直圆型柔性铰链封闭方程,建立柔性杠杆的柔度模型,利用有限元分析软件Ansys验证柔度模型的准确性,并通过合理设计优化函数和约束条件,对柔性杠杆机构输入和输出端进行相应优化。结果表明:采用封闭方程建立柔度模型的方法是可行的,其柔度理论值与仿真值误差在9%以内,同时建立的优化函数切实可行,在力臂放大系数变化量仅为2%的前提下,杠杆输出端柔度降低了18.63%,增加了杠杆线性度范围,从而有效提高了静不平衡测量系统测量精度。     

新型限力输出保护功能柔性夹钳的设计与参数评估

柔性夹钳因具有微/纳精密操作能力,?常应用于微操作系统中,?但因抓爪无法提供恒定输出力或恒力范围小,?容易造成操作对象的损伤或脱落.根据放大模块与常力模块串联的结构形式,?设计了一种具有常力特性的柔性夹钳.基于伪刚体法,?建立放大模块中桥式机构与杠杆机构的刚度和放大率数学模型,?通过对倾斜导向梁进行分析,?得到常力模块...     

Size-dependent elastic properties of thin films: surface anisotropy and surface bonding

Surface eigenstress and eigendisplacement models were used to investigate the surface stress,surface relaxation and surface elasticity of thin films with different surface orientations.Molecular dynamics simulations and first-principles calculations were conducted on face-centered cubic Au films with the focus on relaxation induced nonlinear initial deformation.The simulation results verify the theoretical predictions of the size dependency of surface energy density and surface stress,and the nonlinear scaling law of the size-dependent Young’s modulus of thin films.The mechanism of the size-dependent behaviors was further explored at the atomic bonding level with the charge density field.The Au atomic bonding at surfaces is enhanced compared to its interior counterpart and therefore the nominal Young’s modulus of the Au thin films is larger when the film thickness is smaller.