圆筒型非接触式压电作动器的设计与试验研究

 提出了一种基于超声悬浮和驱动的非接触式压电作动器,该作动器中的转子呈完全悬浮状态。转子的悬浮由兰杰文换能器提供,自身旋转与定位由圆筒型定子提供。通过分别对换能器和定子的压电陶瓷片施加电压,使得换能器悬浮端面激发出一阶弯曲振动模态,而定子激发出两相B(0,3)驻波并合成一高声强行波,进而诱发高声强声场来驱动转子。分别建立了非接触式压电作动器中兰杰文换能器和定子的有限元模型,对换能器和定子进行了分析、设计、扫频以及定频试验,确定了结构方案, 最后加工、制造了样机。搭建了整个样机的测试系统,对其悬浮和驱动特性进行了分析,测得转子转速可达4261r/min。结果表明转子在近声场的作用下成功地实现了完全悬浮式的高速旋转。      

基于近声场的超声悬浮试验

针对非接触式悬浮传输装置的良好应用前景,设计可应用于此种场合的基于近场声的超声作动器.对该作动器的核心驱动部件——压电换能器进行了结构设计并加工制造出了换能器样机.利用PVS-300F型多谱勒激光测振仪对换能器样机进行模态试验,获得了相关的动态特性参数.利用该作动器进行悬浮能力试验,发现随着激励电压的增大,悬浮高度呈现非线性增加.作动器最大单位面积悬浮重量为12.53 g/cm2.将试验结果与声辐射压力的理论计算比较,发现两者具有相似的变化趋势.     

轴/径向耦合式非接触型压电作动器的研究

提出了一种基于近场声悬浮机理的球转子压电作动器,特别设计了可分别沿轴向和径向辐射超声近场的作动器,其目的是为了实现球转子的稳定、可控悬浮和高速旋转,可将其应用到航空航天的高速电机、球轴承传动或姿态传感领域。该新型压电作动器通过轴向与径向悬浮装置的不同耦合形式来提供超声悬浮力并以非接触的方式驱动球转子,实现对球转子的灵活控制。介绍了轴/径向耦合式非接触型压电作动器的结构和工作原理,通过仿真得到了悬浮装置的声场分布形式,深入分析和阐释了球转子的悬浮和驱动机制,加工了样机,搭建了轴/径向耦合式超声悬浮型压电作动器的特性测试系统,通过非接触式激光位移传感器得到了球转子的悬浮特性,并获得了691.5r/min的转速。     

基于压电陶瓷的空气作动器的研制及应用

研制了一种新型非接触式空气作动器,利用压电陶瓷改变空气轴承气膜间隙,从而调整气膜压力,达到改变控制力的目的。在简单分析了作动器各组成部分特性的基础上,研究了作动器的整体特性,并进一步分析了基于空气作动器的单自由度混合隔振系统。通过应用实例说明了空气作动器的可行性和有效性。     

基于光-压电的非接触式弹性圆环独立模态控制

在接近紫外波长的高能光束均匀照射下,极化的镧改性锆钛酸铅(PbLaZrTi,PLZT)铁电陶瓷具有反常的光生伏特效应,即在两极间会产生很高的电压。利用此电压信号来驱动层合于柔性板壳结构的压电作动器,可以实现对柔性板壳结构的非接触式控制。为实现弹性圆环的非接触式独立模态控制,利用模态展开技术及振型函数的正交性设计余弦状正交模态作动器,并利用PLZT产生的电压来驱动层合于圆环上的聚偏二氟乙烯(Polymeric polyvinylidene fluoride,PVDF)压电模态作动器。在控制策略上采用速度反馈的定光强控制,通过模态速度符号来调节压电作动器与PLZT的连接方向,以实现作动器产生控制力的正/负切换。采用Newmark-β法对弹性圆环在不同光强下的动态响应进行数值仿真分析。仿真结果表明,在PLZT产生的电压信号的驱动下,压电作动器对系统产生的驱动力随光照时间成指数倍增加,且光照强度越大控制效果越好。     

非接触式球形转子压电作动器驱动器技术

为了解决非接触式超声电机的近声场驱动问题,提出利用有限差分法求解转子转速的方法.首先,设计出一种新型的非接触式球形转子压电作动器,根据其结构建立数学模型,对定转子之间的挤压膜中气体的控制方程进行简化;然后,利用有限差分法对挤压膜和转子的耦合控制方程进行离散并求解出转子随时间的转速变化曲线和稳定后的压力振型;最后,加工出作动器样机并建立实验系统,得出的实验数据与理论计算数据一致.本研究工作对在非接触式超声电机中如何提高转子转速提供了理论分析的方法和途径.     

用于驱动履带的夹心式压电作动器的动力学特性

提出一种夹心式压电作动器,用于直接驱动履带以构成小型履带式行星探测移动系统。压电作动器由变截面夹心式压电振子以及对称设置在其两端的两个圆环部分组成。压电作动器在两相具有π/2相位差的电信号驱动下激励出两相正交工作模态并在圆环处呈现两相在空间上具有π/2相位差的面内弯曲振动,耦合形成沿圆环周向旋转的行波,圆环表面质点做微幅椭圆运动,经摩擦作用驱动履带运动。利用有限元法对压电作动器进行了结构设计和动力学特性分析,并通过测振试验进行验证:1模态试验结果表明压电作动器的两相试验工作模态频率差为16 Hz,满足行波在圆环部分形成的要求;2通过谐响应试验得到了圆环表面质点在一个周期内的椭圆运动轨迹,与仿真结果相吻合。构建压电作动器驱动的可进行双向运动的履带移动系统,瞬态特性试验结果表明:1履带移动系统具有快速响应特性;2履带移动系统的瞬时运动速度呈周期性变化。     

用于光阑的旋转型驻波压电作动器

为了驱动光阑实现对光束的控制和调节,提出一种新型的旋转型驻波压电作动器。现有压电作动器中,性能稳定的多为单一振子复合模态工作方式,要求各工作模态频率差小,除了对加工精度要求高之外,由于工作磨损对各模态频率影响不同,工作模态的频率差增大,使作动器的性能和效率下降。针对这一问题和光阑的工作特点,研制了一种新型的旋转型压电作动器。该作动器利用两个相同结构杆形压电振子的同形模态,经摩擦驱动光阑活动环转动,达到调节光阑孔径的目的。原理样机实验表明:当预压力为8N时,在驱动电压为200V_(p-p)～400V_(p-p)范围内,作动器的旋转速度与电压成正比,最大的逆时针旋转速度为75.36rad/min,最大的顺时针运动速度为62.8rad/min;在驱动电压为400V_(p-p)下分辨率可以达到0.34mrad。该压电作动器满足了光阑光束控制的要求,具有结构简单、响应快速、调速平稳和精度高等优点。     

光控压电混合驱动特性及影响因素分析

提出光控压电混合驱动,即利用铁电陶瓷镧改性锆钛酸铅(PbLa Zr Ti,PLZT)在紫外光照射下产生的光电压驱动压电作动器。这种新型光控方式的研究实现了PLZT作动器的非接触激励、抗电磁干扰的光激励特性与压电作动器响应速度快等优势互补。基于等效电学模型建立了在光-热-力-电等多能耦合作用下,压电作动器驱动电压及应变的本构模型;对作动器应变滞后性进行试验分析并与PLZT作动器进行了对比;对光控压电混合驱动的影响因素进行研究,探讨了光照强度、作动器电极表面面积、厚度等尺寸参数对作动器驱动电压的影响规律。     

超声振动减摩性能的实验研究及理论分析

以超声减摩的核心构件压电振子为研究对象，在测量压电振子参数的基础上通过改变压电振子的工作电压，测量压电振子振动时辐射端面与特定的工作表面间的摩擦系数的变化规律，通过有限元法计算压电振子的振动模态，分析超声振动的减摩机理，以便进行适当的结构设计，利用超声振动的减摩性能制造出超声波悬浮轴承。研究证明，超声振动具有良好的减摩性能，压电振子处于纵向振动模态时减摩效果最好。     

阶梯圆柱形压电振子直线型超声电机

针对现有直线型超声电机推力较小、效率不高的普遍现状,提出利用阶梯圆柱形压电振子驱动的直线型超声电机.其压电振子包含两组压电陶瓷单元,经逆压电效应激发阶梯形圆柱压电振子在两个正交方向上分别产生5阶弯曲振动,使振子两个圆盘形结构的表面质点形成椭圆运动,经摩擦作用于固定导轨,使振子组件沿导轨产生直线运动,进而构成直线型超声电机.采用有限元仿真方法确定结构尺寸,制作原理样机并进行了相关试验.原理样机获得如下性能:最大输出力为16.2 N;最大速度为180 mm/s;最大效率为38％;响应时间为24 ms;步进分辨率为2μm.     

基于压电作动器的直线电机及其高效驱动

由于传统的压电作动器驱动易造成严重发热、波形欠佳以及处理速度要求较高等问题,本文提出了一种新型的基于压电作动器的非共振型直线电机及其驱动方式.为满足作动器大容性负载特性及其驱动器对高频率的需求,通过电路匹配分析,提出了直流升压变换器和谐振变换的驱动方案,设计了偏压电路使输出驱动波形满足作动器驱动电压的要求.采用傅里叶变...     

光驱动压电作动器用于薄壳振动控制策略的研究及可行性验证

为提高薄壳结构工作性能,突破现有的结构振动控制方法局限性,采用新材料PLZT,开启了利用光电压驱动压电作动器的新研究。现对利用光驱动压电作动器方法用于薄壳振动控制进行了研究,设计其控制策略,并通过试验研究验证了所设计的控制策略的有效性和光驱动压电作动器方法用于薄壳振动控制的可行性。     

一种错位旋磁激励压电俘能器

为解决现有旋磁激励压电俘能器动磁铁与定磁铁正对激励时易发生碰撞的问题,提出一种错位旋磁激励的压电俘能器,并进行了磁力耦合仿真分析以及动磁铁转速/径向激励距离/压电振子端部附加质量等对俘能器发电性能影响的测试试验。结果表明:动定磁铁错位配置可实现压电振子的有效激励,且存在多个使输出电压出现峰值的最佳转速;径向激励距离对最佳转速无影响,但对峰值电压影响较大,正/负向分别存在不同的最佳激励距离使峰值电压最大;附加质量及动磁铁数量对俘能器性能影响较大,随着附加质量增大,各阶最佳转速降低、电压峰值增大;随着动磁铁数量增加,最佳转速的阶数、转速值及其所对应的电压值都依次减小。     

耳膜激振式人工中耳压电作动器设计与实验

针对现有耳膜激振式人工中耳的作动器存在不能适应患者个体耳道尺寸差异、高频增益不足、受电磁干扰的问题,设计了一种新型悬浮式压电作动器。首先,结合人耳解剖结构,对作动器的机械结构及宏观尺寸进行了初步设计;其次,针对压电叠堆存在输出位移不足的问题,引入了位移放大器,并采用粒子群优化算法对其位移放大倍数进行了优化;随后,构建了压电作动器-人耳耦合力学模型,分析了金属壳体的质量和压电叠堆的层数对作动器听损补偿性能的影响,并确定了最佳的设计参数;最后,基于优化的参数制造出作动器样机,并对其听力补偿性能进行了测试。结果表明,该作动器具有工作频带宽(0.2 kHz～10 kHz)、谐波失真低(THD≤2%)、高频性能优越的优点。该作动器适用于耳膜激振的听损补偿,为听力损失的临床治疗提供了新的解决方案。     

一种新型压电作动器及在结构振动主动控制中的应用

针对传统压电片作动器直接粘贴到被控结构表面时受到的各种限制,文中提出并设计制作一种新颖的弓型压电作动器.该作动器由一个弓型梁座和粘贴于其上的压电片构成,使用时将弓型梁座粘贴于被控结构上,压电片驱动弓型梁弯曲变形,进而对被控结构产生作动.随后将其应用在弹性梁振动主动控制中,以验证这种新型作动器的可行性和有效性.采用热弹性比拟方法建立带弓型压电作动器的悬臂梁振动主动控制系统的状态空间模型,采用LQR(linear-quadratic regulator)方法进行控制器设计.基于dSPACE硬件在线控制仿真系统,进行悬臂梁振动的主动控制实验,并对这种新型压电作动器与传统压电片作动器的振动控制效能进行实验对比.实验结果表明,这种弓型压电作动器具有良好的作动效能和安装方便灵活、可重复使用等优点.     

超声内圆磨削系统中电信号的非接触式传输研究

针对超声内圆磨削系统中电信号传输方式存在的问题,提出了应用电磁感应原理的新型电信号非接触式传输方式.通过理论分析和实验验证,提出了由超声波电源、非接触传输装置和换能器振子组成的机电系统正常工作时的匹配条件.应用非接触式传输装置设计了新型的超声振动内圆磨头样机,验证了该应用方案的可行性.     

具有迟滞和蠕变特性压电作动器的模糊自适应逆控制方法

针对具有迟滞和蠕变特性的压电作动器非线性模型,提出了一种前馈控制和反馈控制相结合的自适应模糊逆控制方案。在前馈控制器中压电作动器的迟滞和蠕变非线性特性的逆模型由自适应模糊逻辑系统近似;在反馈控制器中比例控制器用来调节压电作动器的输出误差。该方法可以实时补偿压电作动器的迟滞和蠕变特性,减少作动器跟踪误差。仿真计算结果表明了该方法的有效性。     

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.     

悬臂梁振动自适应模糊控制及DSP实现

以粘贴压电自感作动器的悬臂梁为研究对象,推导了悬臂梁振动主动控制的压电元传感方程和作动方程的传递函数,给出了压电自感作动器位置配置优化方法,设计了硬件电路以及软件流程.试验结果表明,利用压电自感作动器和模糊自适应控制器可有效地抑制悬臂梁振动.