压电自感知微夹钳

研制了不需要外部附加微位移与微力传感器、采用自感知方法来获取压电微夹钳的钳指位移与夹持力的压电自感知微夹钳。根据压电陶瓷晶片在驱动电压与外力作用下发生变形会在其表面产生电荷的思想,提出了基于积分电荷的钳指位移与夹持力的自感知方法;基于Jan G.Smits的压电悬臂梁弯曲变形理论,给出了钳指位移与夹持力的自感知表达式,即用钳指上压电陶瓷晶片表面的电荷来表达钳指位移与夹持力。设计了获取晶片表面电荷的积分电路,给出了其平衡条件为晶片电容与其绝缘电阻之积同积分电容与反馈电阻之积相等。自感知验证实验结果表明:修正后在31.59μm最大钳指位移范围内的自感知位移最大偏差为0.78μm;在35.91mN最大钳指夹持力范围内的自感知夹持力的最大偏差为0.24mN。实验结果验证了所提自感知方法是有效的。     

压电微夹钳的位移自感知反馈复合控制*

采用自感知方法获取压电微夹钳钳指位移,构成自感知反馈复合控制系统。根据反映钳指位移、表面电荷、夹持力、驱动电压之间关系的压电悬臂梁Smits方程,提出了基于电流积分的钳指位移自感知方法;引入死区算子对传统PI模型进行改进,建立了压电微夹钳钳指位移的迟滞模型;以对偏差的抛物线积分、对输出的先行微分分别代替常规PID控制器中的积分项和微分项,设计出了压电微夹钳的改进PID反馈控制器;将前馈控制器与PID反馈控制器相结合,并采用自感知反馈方式,设计出了压电微夹钳的闭环控制系统。实验结果表明:在自感知反馈复合控制作用下,压电微夹钳对5μm阶跃参考位移的响应时间为0.24 s,若不考虑噪声影响,稳态误差几乎为零;在最大位移为14.7μm的变幅值三角波参考位移以及最大位移为14.1μm的任意波形参考位移作用下,压电微夹钳的自感知反馈复合控制亦可取得良好的控制效果,其稳态误差中线在-0.02~0.04μm之间变化。自感知反馈控制的实验结果与传感器反馈控制基本相同,从而表明压电微夹钳的自感知反馈控制是有效的。     

压电双晶片型微位移放大机构研究

介绍了以压电双晶片作为驱动元件,由三角放大机理构造的柔性铰链机构作为位移输出的微位移放大机构.通过理论计算、建模等对微位移放大机构进行设计,制作了微位移放大机构的样机,并进行了试验.对得到的测试数据进行分析,研究结果表明,采用压电材料作为精密设备的驱动元件性能良好,所研制压电双晶片型微位移放大机构原理,可推广应用到其他...     

悬臂梁压电俘能器的建模研究

为深入研究悬臂梁式压电俘能器的作用机理,从压电方程和内能平衡出发,建立了悬臂梁式压电俘能器单晶片压电振子、双晶片串联压电振子和双晶片并联压电振子的电压输出灵敏度数学模型.在ANSYS中分别建立了三种压电振子的有限元模型,仿真得到三种压电振子的基板厚度与输出电压的关系曲线,仿真结果表明串联双晶片压电振子的输出电压值最高,且数值模拟曲线和有限元仿真曲线基本吻合,验证了建立数学模型的正确性.     

四自由度压电微夹钳的设计

为降低微夹钳前端执行机构的复杂度,探索四自由度压电微夹钳的实现问题。通过在被设计成夹钳形状的两个压电单晶片的非黏结面上制作相互绝缘的驱动电极,且使两个非黏结面上驱动电极相互对齐的方法,设计出了可同时产生夹持方向与垂直于夹持方向位移的四自由度压电微夹钳;采用压电悬臂梁变形理论,推导出了钳指位移同钳指几何参数、驱动电压的关系,进而在对钳指进行尺寸优化的基础上,采用有限元方法分析了其静动态特性;最后,对微夹钳的静动态特性进行了测试,结果表明：当驱动电压为60 V时,左钳指、右钳指在夹持方向上的位移分别为25.7 μm、26.1 μm,左、右钳指在垂直于夹持方向上的位移分别为33.5 μm、32.8 μm,钳指位移具有很好的重复性;微夹钳在夹持方向和垂直于夹持方向的固有频率分别为2.35 kHz、0.62 kHz;在15 V的阶跃电压作用下,微夹钳在夹持方向和垂直于夹持方向的响应时间均为0.23 s。     

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.     

毫米级微装配机器人控制系统设计

介绍了一种配备了压电微夹钳的毫米级微装配机器人.根据微机器人系统的功能要求设计了其硬件和软件控制系统.控制硬件以32位ARM核处理器为核心组成数模混合系统,使用了两片CPLD构建了微马达控制器和微夹钳控制器.控制软件是基于嵌入式实时操作系统μC/OS-II而设计的多任务系统,包括微马达的控制及与计算机视觉系统之间通信协议等.实验结果证明整套控制系统能满足微装配应用要求.     

基于Dahl模型的压电陶瓷微夹钳控制研究

针对微零件装配工艺的需要,开发了一套基于压电陶瓷驱动的微夹钳,建立了压电陶瓷驱动微夹钳位移与电压的关系模型,针对压电陶瓷迟滞现象提出了基于Dahl模型的前馈补偿控制和PID混合控制算法,微装配实验证明该模型结构控制效果好,能达到控制要求。     

悬臂梁双压电晶片振子发电性能研究

以双压电晶片振子为研究对象,对悬臂梁式双压电晶片振子在正压电效应下电压输出特性进行了有限元分析与试验研究,给出了压电晶片在悬臂梁上的最佳粘贴位置,并且利用有限元分析软件建立了悬臂梁双压电晶片振子的有限元模型,进行了结构尺寸参数对悬臂梁双压电晶片振子输出电压影响规律的仿真分析;利用压电陶瓷发电能力测试系统进行了试验测试,通过仿真和试验结果对比分析,得出了结构尺寸参数对悬臂梁双压电晶片振子发电的输出电压影响规律。     

一种新型柔性双轴微夹钳的设计与分析

针对传统的微夹钳在复杂的微操作中只能沿单轴进行夹持操作的不足，文中设计了一种柔性铰链的双轴微夹钳，结构简单又紧凑，该微夹钳由一个压电陶瓷驱动器驱动，实现夹持和旋转两种操作。采用非对称结构设计，实现左边完成向前旋转动作，右边完成夹持动作。通过左右两边两级放大机构结构设计不同，实现位移放大和运动传递。为实现抓取和搓动功能的解耦，对两部分的运动导向机构进行了正交设计。采用伪刚体法建立了机构的伪刚体模型，建立了机构的运动学和动力学模型，包括运动机构放大比、输入刚度和机构的固有频率。通过有限元分析方法验证了微夹钳的性能模型的准确性。仿真试验结果表明，左侧机构的放大比为8.01,右侧放大比为8.56,最大输出位移可达171.36μm。所设计的微夹钳具有良好的抓取和搓动的性能，可实现高精度的抓取和释放操作。     

单-双晶片压电换能器发电能力仿真分析与实验研究

为分析单晶片与双晶片压电换能器发电能力的强弱,设计了单-双晶片压电换能器发电实验装置.首先对装置结构设计和工作原理进行了说明,采用悬臂梁支撑方式进行发电,对单-双晶片换能器进行了仿真分析,得出了换能器工作的形态以及最佳发电频率;然后对系统进行了单-双晶片换能器实验对比测试,分析了驱动频率与激励振幅对单-双晶片换能器发电能力的影响规律并进行了对比分析.实验结果表明,单-双换能器在共振频率状态下发电能力效果最佳,发电量随激励振幅和驱动电压的增大而增大,双晶片换能器发电能力要优于单晶片换能器,为压电材料发电提供了理论依据和技术参考.     

采用伪刚体法的柔性微夹钳设计

随着MEMS的发展,对于能够实现微夹持、装配的微夹持器的各种研究也逐渐成为被关注对象,但是对于微夹钳的设计方面还缺少系统化的方法.根据电热微夹钳的特性,给出了可转化为微夹钳的刚性机构拓扑条件.借助机构的类型综合方法和伪刚体的概念提出了一种设计柔性微夹钳的新方法.最后通过设计一种放大倍数为20的柔性微夹钳,具体阐述了设计过程,同时也验证了本方法的有效性.     

微装配机器人系统

研制一种具备多操作手协调工作的微装配机器人系统,该系统包括两个4自由度的主微操作手和一个3自由度的辅助微操作手,并采用双光路正交显微视觉作为获取机器人和微对象的位姿与环境信息的主要手段.为适应不同形状和材质微目标的操作需要,分别设计真空和压电陶瓷两类微夹钳,以微夹钳工作原理分析为基础,给出微夹钳的控制依据.就显微图像获取和视觉伺服等问题进行研究,包括基于维纳滤波的模糊图像逆滤波器复原,基于图像分析的显微镜自动调焦,以及基于距离和角度图像特征的显微视觉伺服控制等.以人机交互的半自主方式控制机器人进行微装配作业.装配结果表明,系统工作可靠,能够完成具有复杂工艺要求的微装配任务,目前微零件最小装配精度可达30 μm.     

一种旋转压电陶瓷驱动器的设计和研究

为发挥压电陶瓷分辨率高、频响高、功耗低及抗电磁干扰能力强等优点,进一步简化压电旋转驱动器的结构,提高压电驱动工作效率,设计和研制一种新型压电旋转驱动器。驱动器以压电陶瓷双晶片为原动件,通过联接机构联接定子和转子,选用滚子结构的超越离合器驱动机构,将双晶片扭转位移运动转化为输出轴的连续旋转运动。驱动器结构简单,体积小。通过理论分析、有限元仿真和试验研究表明,驱动器的转速与驱动信号的频率、电压近似呈线性关系,具有良好的输出特性,步进精确,运行平稳可靠,适于在微驱动领域应用。     

压电双晶片驱动的仿生柔性扑翼机构研究

分析了昆虫的翅膀-胸部运动系统,并以此为基础,仿生设计出压电双晶片驱动,柔性双摇杆机构放大位移并带动仿生翅拍动的扑翼系统.分析了压电双晶片的工作原理,讨论了柔性四杆机构的自由度和运动学,并对整个系统的准静力学进行探讨,以确定能否产生足够的力克服空气阻尼.仿真和实验结果表明,通过柔性机构放大压电双晶片位移,能实现仿生翅所需运动,同时进一步的优化设计将有助于改进扑翼机构的运动性能.     

压电弯曲效应弹性环晶片夹持结构设计

为验证石英晶片弯曲效应,设计了弹性环晶片夹持结构.根据弹性力学和压电学推导石英晶片弯曲应力和极化强度计算公式,接着对设计的弹性环晶片夹持结构进行受力分析,为了减少结构变形对传感器使用影响,根据弹性力学能量原理推导出在载荷作用下该弹性环结构静刚度计算公式,并采用有限元方法进行强度和刚度校核.理论计算、有限元分析和实测均表明,该弹性环晶片夹持结构刚度＞ 10 kgf/um,满足传感器设计要求.该弹性环晶片夹持结构必将促进新型悬臂梁测力传感器和微执行器的研发.     

轴向预压缩双晶片动力学模型与特性分析

基于欧拉梁的假设,将双晶片简化为3层压电层合梁,由Hamilton原理建立系统的动力学模型,得到描述轴向预压缩压电双晶片的偏微分方程及特定边界条件,通过求解上述微分方程的边值问题得到双晶片在不同轴向力下的输出特性的解析表达式。利用有限元软件对双晶片进行仿真,验证了理论分析的正确性,增加理论分析结果的可信度。最后通过实验的方法研究双晶片的静、动力学特性,证明了施加轴向力可以降低双晶片的弯曲刚度和固有频率,显著增加其机电耦合效率,提高力和位移输出能力。轴向力虽然会影响双晶片启动时的位移峰值,但是对响应时间和带宽影响较小,大轴向力下双晶片仍具有带宽高与响应快的优势。     

压电双晶片型2自由度精密驱动器的动态特性

研制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2自由度精密驱动器.建立基于Karnopp摩擦模型的驱动器动力学模型,对驱动器动态特性进行仿真分析和试验对比研究.提出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.仿真分析结果和试验结果吻合较好,表明该动力学模型符合驱动器的动态特性,可用于对压电双晶片型惯性冲击式2自由度精密驱动器的理论分析.     

柔性微夹钳的拓扑优化设计及制作工艺

根据连续体结构拓扑优化技术,采用基于SIMP插值模型的变密度法,以最大输出位移为目标设计了一种新型柔性微夹钳的结构,这种钳体结构新颖,拓扑构型为钳口常闭型,依靠钳体自身回程反力夹持物体,能量消耗少,而且钳口张开范围大,通用性好.文中具体阐述了拓扑优化的设计过程,并对设计结果进行了几何重构,同时对整体电热驱动微夹钳进行了有限元分析,仿真结果验证了设计结果.根据设计结果,采用UV-LIGA技术制作了电热驱动微夹钳.     

轴向预压缩双晶片动力学模型与特性分析

基于欧拉梁的假设,将双晶片简化为3层压电层合梁,由Hamilton原理建立系统的动力学模型,得到描述轴向预压缩压电双晶片的偏微分方程及特定边界条件,通过求解上述微分方程的边值问题得到双晶片在不同轴向力下的输出特性的解析表达式。利用有限元软件对双晶片进行仿真,验证了理论分析的正确性,增加理论分析结果的可信度。最后通过实验的方法研究双晶片的静、动力学特性,证明了施加轴向力可以降低双晶片的弯曲刚度和固有频率,显著增加其机电耦合效率,提高力和位移输出能力。轴向力虽然会影响双晶片启动时的位移峰值,但是对响应时间和带宽影响较小,大轴向力下双晶片仍具有带宽高与响应快的优势。