串联弯曲臂压电微电机驱动机理分析及实验研究

把两片压电双晶片串联在一起,构成串联弯曲臂。一端固定,另一端自由时,在相位差为π/2的一定频率方波信号的驱动下,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,可用来驱动端面与其相接触的转子转动,构成串联弯曲臂式压电微电机。对串联弯曲臂的驱动机理进行了分析,在新的微小尺寸驱动机理研究的椭圆运动的基础上,研制了直径为5 mm的串联弯曲臂压电微电机样机,对样机的性能参数进行了测试,转速可达325 r/min,转矩可以达到36.5μΝ·m。     

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.     

串联臂压电微电机及驱动电源的研究

二级串联压电双晶片（串联臂）一端固定时,在相位差为π／2的偏置方波信号驱动下,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,对单路方波信号分频,可产生双路相位差为π／2的方波信号,对信号进行放大,构成相位差为π／2的偏置方波驱动信号。     

纵弯式压电微电机研究

分析了纵弯式压电微电机的驱动机理,提出了电机驱动臂的设计方法。研制了直径为5nm的纵弯式压电微电机并进行了实验研究。     

重力-弹力耦合驱动压电微电机研究

分析了重力-弹力耦合驱动压电微电机的机理并给出了其运动学模型。制作了转子直径为0.433mm的压电微电机并实验验证了运动学模型。     

压电微电机优化理论的计算机仿真

利用计算机仿真技术,成功地编制出一套计算机软件,深入探讨了压电微电机优化理论,探明了压电微电机压电体材料属性、定子基衬底和弹性体的比刚度、定子各部分结构尺寸对能量输出效率的影响规律,并建议性地给出了压电微电机各部分的优选材料、结构尺寸等。实验表明,该分析方法的应用确有助于提高压电微电机的能量输出。     

行波式压电微电机的等效电路特性

本文通过对行波式压电微电机原理性的分析,并结合质点运动学基础理论,研究了压电微电机换能理论,建立了电机等效电路.该方法将为深入研究压电微电机的力矩、功率、以及效率提供有力的理论基础.     

纵弯式压电微马达驱动机理研究

分析了纵弯式压电微马达驱动机理,建立了纵弯式压电微马达输出功率与驱动臂的倾角、长宽比之间的相位差及压紧力关系的数学模型,为纵弯式压电微马达的优化设计奠定了基础。     

基于模糊控制压电抑振的2R柔性机械臂跟踪实验研究

基于压电陶瓷的模糊控制抑振,利用电阻应变传感器检测机械臂振动信息,经动态应变仪采集到计算机系统,根据控制规律进行模糊运算,得到控制电压,再以该电压驱动压电陶瓷片,产生与振动方向相反控制力矩,抑制机械臂柔性变形,进而改善驱动效果,提高柔性机械臂跟踪精度.实验结果显示,压电抑振效果显著,机械臂跟踪精度也大幅度提高.     

双腔体压电泵的设计

由于自吸性差、对气泡敏感等原因,单腔体压电泵在应用中受到限制,而多腔体结构是提高压电泵性能的有效途径.通过分析腔体容积与压力变化过程得出:双腔体串联压电泵只能采用串联驱动方式而不能采用并联驱动方式,双腔体并联压电泵只能采用并联驱动方式而不能采用串联驱动方式.制作双腔串联、并联压电泵样机并进行测试可以得出:串联压电泵在驱动电压200 V,频率152 Hz时,输出流量达到最大为1 150 ml/min;并联泵在压电驱动电压140 V,频率220 Hz时,输出流量达到最大为640 ml/min;因此多腔泵采用腔体串联结构能提高压电泵的工作效率,提高泵的工作性能.     

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。     

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。     

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.     

一种仿生型无阀压电泵

针对传统的容积型流阻差式无阀压电泵具有吸入周期和排出周期,存在着流动脉动大、流量小的问题,提出一种新型的鱼鳍摆动式无阀压电泵。模仿在鱼类中巡游速度最快的金枪鱼的鱼体结构,设计了压电双晶片结构的压电振子,并将其尾鳍设计成柔性叶片状。分析了压电双晶片结构悬臂梁的受力变形、模态振型在机电转换效率方面的关系。研制了泵的样机并测量了激励电压在100 V时泵的流量。实验结果表明:振子工作在1阶振型时,泵水效应不明显;振子工作在2阶振型时,谐振频率为740 Hz,泵的流量为266 mL/min;振子工作在3阶振型时,谐振频率为1 280 Hz,泵的流量为105 mL/min。     

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.     

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.     

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。     

压电双晶片的能量传输特性分析

基于压电双晶片的准静态本构方程,详细地分析了准静态情况下悬臂梁式双晶片执行器在常见的三种不同载荷(力、力矩、压力)情况下的机电转换特性,即有效机电耦合系数、最大能量传输系统、最大输出机械能量时效率.分析结果表明:这些特性主要由压电双晶片材料的横向机电耦合系数k31决定;三种载荷中,以力矩形式输出机械能时压电双晶片执行器的效率最高,以力的形式输出时稍低,以压力形式(如用于推动气体或液体)输出时效率最低.这些结论对于设计压电双晶片执行器的结构具有指导意义.     

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]