一种压电致动微夹钳及其开环位移特性

微夹钳是微装配与微操作过程中直接与被操作对象相接触的末端执行器,对微装配与微操作任务的完成起着决定性作用．介绍了一种采用压电致动的微夹钳的工作原理、结构组成及实验原型,该微夹钳采用一种基于双边和单边直圆柔性铰链的单片柔顺机构实现微位移传递／放大功能,同时实现微夹钳夹爪平行移动．针对本文研究和开发的一种微夹钳的原型建立了实验装置并进行了开环位移特性测试．实验结果表明,微夹钳的夹爪能够实现平行移动,夹爪的输出位移与输入位移呈线性关系,且微夹钳单边夹爪输出位移最大可达150μm．     

压电柔顺x-y微夹持器的设计与分析EI北大核心CSCD

针对微操作和微装配领域对微夹持器高位移放大比、多自由度和平动夹持的性能需求,采用双叶型桥式机构和平行四边形机构,设计了一种压电柔顺x-y微夹持器。利用有限元法建立了微夹持器的静力学与动力学模型,并通过ANSYS Workbench软件分析微夹持器的位移放大比、固有频率和输出耦合比。最后,搭建试验测试系统验证微夹持器的开环性能。试验结果表明:微夹持器x,y向的位移放大比分别为30.8和8.6,一阶固有频率为123.3 Hz;当施加10μm输入位移时,微夹持器x,y向的工作行程分别为0~616.6μm和0~51.0μm,夹持力范围为0~25.8 mN;微夹持器x,y向位移放大比与一阶固有频率的实验测试和仿真数值之间的相对误差分别为17.9%,19.8%,13.9%。试验结果验证了该理论模型和仿真分析的可行性。     

四自由度压电微夹钳的结构设计及尺寸参数优化

为提高微夹钳操作微对象时的灵活性,探索四自由度压电微夹钳的实现问题,将制成相应形状并分割驱动电极的两片压电陶瓷晶片进行粘结,制作出微夹钳,并将两组空间垂直交叉的横向逆压电效应作用于钳指上,使单个钳指产生夹持方向和垂直于夹持方向的微位移,从而使整个微夹钳(两个钳指)具有4个自由度.在综合考虑微夹钳输出位移、固有频率、制作工艺的情况下,采用有限元分析方法,对钳指长度、宽度、厚度进行了优化,对优化后微夹钳的输出位移和振型进行了分析.对微夹钳的输出位移进行了测试,结果表明:在60 V的最高驱动电压作用下,左、右两钳指沿夹持方向的最大位移分别为25.6μm、24.3μm,沿垂直于夹持方向的最大位移分别为32.1μm、30.9μm;两钳指的输出位移具有良好的重复性.     

基于自感知反馈的压电微夹钳PID控制

为了避免应用外部传感器,采用自感知方式实现压电微夹钳的闭环控制.压电微夹钳钳指在电压与外力作用下输出位移并在其表面产生电荷,据此提出了基于电流积分的钳指位移自感知方法;将PID控制器中的矩形积分改为抛物线积分,对偏差的微分改为对输出的微分,设计出了压电微夹钳的改进PID控制器,并将其同自感知反馈方式相结合,设计出了压电微夹钳的自感知反馈控制系统.实验结果表明:在自感知反馈控制作用下,压电微夹钳对5μm阶跃参考位移的响应时间为0.34 s,若不考虑噪声影响,稳态误差几乎为零;在最大位移为14.1μm的任意波形参考位移的作用下,压电微夹钳的自感知反馈控制亦可取得良好的控制效果,其稳态误差中线在-0.06~0.05μm之间变化.     

电磁力驱动的微夹持技术

在生物操作和微装配中,需要微力传感器控制操作过程,以保证操作的有效性.为此,设计了集电磁力驱动和压电传感于一体的夹钳,利用螺线管与小永磁体产生的排斥力驱动夹钳闭合,通过改变螺线管电流的大小来控制夹钳夹持力.夹钳夹持物体时,聚偏二氟乙烯(PVDF)产生压电效应输出电压,电压的数值确定了夹持力.利用共振频率方法测量PVDF膜片刚度,结合显微视觉系统测量膜片变形,可以确定夹钳受到的力,从而获得夹钳受力与输出电压的关系.实验结果表明,采用共振频率方法精确测量出的膜片刚度为110.7μN/μm,夹钳力传感分辨率为1.1mN.     

二维并联跨尺度压电精密位移驱动平台研制

多自由度跨尺度精密位移驱动平台在光学计量检测、半导体制造、生物医学工程等诸多领域具有广泛的应用需求。针对串联多自由度压电驱动平台结构厚重的问题,结合压电柔性铰链机构和冲击驱动原理,研制了一款结构紧凑的二维并联跨尺度压电精密位移驱动平台。通过有限元仿真和实验测试验证其性能,结果表明：压电柔性铰链定子的静态位移为7.95μm,固有频率为11.80 kHz。低频步进位移和高频平滑运动测试表明：原理样机的步进位移分辨力为100 nm,平滑运动速度为4.96 mm/s,负载力达到100 mN以上。原理样机基本满足多自由度跨尺度精密位移驱动的技术要求,在微纳光学检测等系统中具有良好的应用价值。     

六维宏微位移可控精密工作台的研制

研制了一种六维宏微位移可控精密工作台。设计中采用粗精分离的原则,有利于提高工作台的精度,并减小了研制难度。宏位移使用精密燕尾导轨结构。微定位系统使用了压电陶瓷驱动器、柔性铰链和计算机控制,使系统具有极高精度的补偿定位能力。该工作台可在 100mm 范围内运动,平移分辨力为 0.05μm,转动分辨力为 0.3″。     

基于压电陶瓷驱动的精密定位平台研究

设计了一种基于压电陶瓷驱动的整体式柔顺精密定位平台. 建立了柔性铰链的刚度矩阵,给出了平台的理论分析模型;利用模糊自整定 PID 控制算法对压电陶瓷驱动器进行了闭环控制,提高了驱动器的输出位移精度;提出了一种实验修正方法,提高了平台的定位精度. 实验结果表明,平台具有亚微米级的定位精度以及良好的动态特性.     

基于真空吸附的微器件受力分析研究

微装配的对象主要是微米级或亚毫米级尺寸的微器件,这些微器件的轻、小、薄、软的特征对微夹持器的夹持方式和夹持力的控制提出了非常严格的要求和限制。本文针对平板类微器件设计了一种真空吸附式微夹持系统,不仅可以吸附不同形状和尺寸的零件,而且可以实现零件位姿的调整和接触力的检测。在只考虑范德华力的情况下,本文重点建立了微器件的吸附力学模型,为实现稳定吸附与释放提供了计算依据。最后完成了精度要求为平行度误差不大于8μm的微组件装配实验,装配效果良好。     

柔性对称微位移放大机构的分析与仿真

柔性铰链微位移放大机构在精密机械中的应用日益广泛.依据卡氏第二定理,采用基于柔度的静力学分析方法对柔性机构的运动特性进行分析,给出了机构中任意节点处位移的计算式.在此基础上,对柔性对称微位移放大机构进行了分析,建立了微位移放大机构输入、输出位移及其放大比求解的数学模型.利用所建立的模型,采用MATLAB编程对柔性对称微...     

超磁致伸缩驱动器自适应精密驱动控制研究

超磁致伸缩驱动器(GMA)虽然具有很多优点,但是超磁致伸缩材料(GMM)在磁化过程中存在磁滞非线性,磁滞误差可达20 %,要解决这一问题,必须对GMA采用精确有效的方法实现建模,并用于GMA驱动位移精密控制。研究中采用LMS算法对研制的GMA进行自适应系统模型辨识,用不同频率的正弦信号和方波信号作为输入,辨识模型都能精确逼近GMA输出信号,辨识精度高达0.069 μm;最后采用Fx-LMS算法对GMA进行驱动位移控制实验,通过在线辨识有效减小磁滞误差,提高控制精度。     

不同粒径微米/亚微米颗粒布朗运动的实验研究

利用显微粒子追踪测速系统(Micro-PTV)对四种不同粒径(2μm、1μm、0.71μm、0.52μm)的颗粒在纯水中的布朗运动进行了实验研究.使用波长为532nm的连续激光器、电子倍增CCD(EMCCD)相机以及放大倍率为63倍的显微物镜得到颗粒图像.对原始图像进行处理,借助于Video Spot Tracker软件获得相邻两帧图像中示踪颗粒的单步位移,在此基础上计算颗粒在纯水中的实验扩散系数,分别为0.191μm2/s,0.391μm2/s,0.579μm2/s及0.746μm2/s.将计算结果与采用Stokes-Einstein公式计算的无限大空间单个颗粒理论扩散系数进行了比对,偏差在10%以内,实验值略小.实验结果能够正确反映微米(μm)/亚微米颗粒布朗运动的特征.     

一种具有力检测机制的新型血管介入手术机器人

为了在机器人辅助远程介入手术中实现向医生提供高精度的力反馈,设计了一种具有力检测机制的新型血管介入手术机器人,其是一个主从控制系统,包括一个操作方便的主端装置和一个递送导丝/导管的从端装置。首先,设计了血管介入手术机器人的力检测机制,以实现轴向近端力的精准测量和径向夹紧力的感知。然后,基于血管介入手术机器人的动力学分析,设计了具有在线整定参数功能的模糊PID (proportional integral derivative,比例积分微分)控制器,以提高从端装置的递送精度和抗干扰能力,同时选择阶跃信号对所设计的模糊PID控制器进行仿真验证。最后,搭建血管介入手术机器人物理样机,并开展主从运动跟踪实验和轴向近端力、径向夹紧力检测评估实验。实验结果表明,该血管介入手术机器人具有[-0.31, 0.25] mm的运动跟踪误差,可检测平均误差为0.12 N的轴向近端力以及可感知0.47～4 N的径向夹紧力。研究结果验证了所设计血管介入手术机器人的鲁棒性以及其力检测机制的可行性,可为同类产品的设计和改进提供参考依据。     

巨磁致伸缩自适应精密驱动和振动控制

针对巨磁致伸缩系统的自适应精密驱动和微振动控制系统,结合受控自回归滑动平均模型(CARMA)与递推增广最小二乘法（RELS）相结合对巨磁致伸缩驱动器（GMA）实现在线模型辨识;分别用不同类型的信号作为输入,辨识模型能精确描述GMA输出位移,辨识误差达0.23 %;将改进的广义预测控制算法（MGPC）应用于GMA的闭环位移控制,与最小方差自适应控制（MVSTR）相比,MGPC具有更好的实时性和更高的控制精度,在0～10 μm给定位移下,其驱动控制误差达0.143 μm。最后基于上述CARMA模型和MGPC算法对GMA隔振系统进行微振动控制实验,抑制效果达到20 dB。该研究结果对精密工程及航天振动控制应用具有一定的价值。     

用于MEMS变形镜的双电极压电厚膜致动器

提出了一种用于MEMS变形镜的双电极驱动的压电陶瓷（PZT）厚膜致动器．采用有限元方法分析致动器变形时的应力分布情况,优化了内外圈电极尺寸,制作了61单元六边形分布的致动器阵列．测试结果表明,致动器在100V工作电压下的;中程约为6．6μm,谐振频率为58kHz,位移迟滞为8％～9％,通过采用单边电压一位移曲线的策略有效降低了位移迟滞,并进一步提出了分时驱动的电路方案．     

非球面模具超精密补偿加工技术

为了实现非球面模具的超精密数控加工,研究了加工轨迹算法原理及整个软件系统的结构与实现.提出了基于表面粗糙度均匀化的工件进给速度控制法,分析了工具磨损误差和工件形状误差,重点提出了误差补偿方法,同时也讨论了采用砂轮平行磨削法时避免加工干涉的方法.软件能生成高精度的加工与补偿加工数控程序文件.最后,在一台镜面磨床上实验加工直径为6 mm的碳化钨透镜模具,经过多次补偿加工后,获得了谷峰值为0.123μm,误差均方根为0.021μm的表面形状精度.     

一种高分辨力、大行程微驱动压电马达

样机采用叠片式压电驱动器作为驱动源,利用一对夹爪与丝杠之间的惯性滑移效应实现纳米级微位移驱动,而用丝杠副实现自锁。微位移测量采用高精度电感式测微仪与光学干涉仪。样机平均位移分辨力为5～15nm,驱动力60N,行程15mm。分析表明,对性能的主要影响因素是驱动脉冲参数及丝杠的爬行现象,这为LSPM的进一步优化提供了依据。     

新型超声椭圆振动无心磨削技术

本文提出一种以超声椭圆振动板取代传统导轮的新型无心磨削技术,通过对该部件中的压电陶瓷（lead zirconate titanate,PbZrTiO3,PZT）施加交流电压,在该板端面产生超声椭圆振动并控制工件的旋转速度.从振型、激振方式、结构和尺寸等方面,对该超声椭圆振动部件进行了设计,研究了输入信号参数（频率、相位差和电压幅值）与振动部件中金属板端面超声椭圆振动的形状和幅值之间的关系.实验结果表明,该超声椭圆振动板具有良好的性能,其端面的超声椭圆振动能精确控制工件旋转的速度.最后,采用改进后的超声椭圆振动无心磨床对初始直径为1 mm～5 mm的微小圆柱形工件进行了磨削实验.实验结果表明,磨削后工件的圆度误差从20μm下降至3μm     

基于电磁驱动及磁电／电容检测的硅谐振式双轴角速率传感器设计和测试

本文介绍了一种MEMS角速率传感器的设计、制作和测试．该传感器采用硅梁作为支撑和震动的结构．电磁力在驱动模式中被用来激励质量块做往复运动．驱动模式的频率被设计为5955．38Hz．针对另外两个轴向的角速率检测,设计检测模式的频率分别为6151．01Hz和6591Hz．质量块在驱动模式下的最大位移被设计为20μm．在器件的制作过程中使用了湿法刻蚀、电子柬蒸发、阳极键合、等离子体增强化学气相沉淀（PECVD）、lift—off、感应耦合等离子体活性离子蚀刻（ICP—RIE）等MEMS工艺．质量块的尺寸是1440μm×1400μm×33．6μm,硅梁的设计尺寸分别为10μm×562．5μm×33．6μm,10μm×532．5Ixm×33．6μm,芯片的外形尺寸是3127μm×3069μm．为了进行器件测试,搭建了真空测试平台．测试结果表明,驱动模式下器件的谐响应频率为9609Hz,使用磁电检测的模式其谐响应频率为9605Hz．器件中电容检测需要特殊的电路,该电路目前正在搭建中．分析发现实测结果与模拟仿真结果的差异在于加工过程中产生的误差．     

侧壁压阻式力传感器的研制与标定

在对现有微操作中夹持力问题进行分析的基础上,提出了一种基于面内侧壁压阻的力传感器加工方法,成功地在MEMS微夹持器上集成了压阻式的力检测传感器,对夹持力的检测反馈实现了微操作的闭环控制.该方法利用离子注入工艺和深度反应离子刻蚀（DRIE）工艺相结合制作检测梁侧壁压阻,改善了侧壁压阻工艺与其他工艺间的兼容性问题.最后通过压电叠堆驱动平台结合精密电子秤对压阻传感器进行了标定.测试表明,这种微力传感器加工技术可以很好地与其他工艺相兼容,力传感器的灵敏度优于72V/N,分辨率优于3μN.