压电驱动微动平台结构的设计优化和仿真分析

采用双平行柔性铰链结构设计了一种二维微动平台,并计算了微动平台各方向的刚度。根据约束条件,建立了理论刚度数学模型;采用序列二次规划(SQP)算法对平台结构进行多目标优化,并通过MATLAB软件对数学模型进行求解;利用ANSYS软件对优化后平台的位移、刚度和固有频率进行仿真分析。理论计算和仿真结果表明,微动平台具有良好的静、动态特性。     

新型二维压电驱动微动工作台的设计分析

研究开发了一种新型压电驱动二自由度纳米级微定位工作台。文章采用静力学理论对微动工作台的运动副进行了建模分析，推导出直角平行板柔性铰链的刚度计算表达式。采用有限元分析方法，对柔性铰链和微动工作台的静、动态力学特性数值分析，并对微动工作台的模态频率进行了实验测试。理论分析、有限元计算和实验结果的一致性说明理论分析的正确性和数值分析的可靠性。     

基于有限元方法的三维微动平台设计

为了获得结构简单、紧凑的三维微动平台,采用并联结构设计平台的新构型。首先,基于直角柔性薄板结构,对微动平台进行了结构设计,所设计平台既可实现x、y方向的平动,又可实现绕z方向的转动,且具有较大的工作台面;然后,采用有限元方法对微动平台的位移、应力等静态特性,以及模态、频率响应、阶跃响应等动态特性进行分析;最后,通过实验对所设计平台的静、动态特性进行了测试。结果表明:在120V的驱动电压作用下,平台沿x、y方向的最大位移分别为24.08μm和23.24μm,绕z方向的转角为139μrad;平台沿x、y方向及绕z轴的固有频率分别为2.25kHz,2.28kHz和4.01kHz;在50N的阶跃力作用下,平台沿x、y方向的稳态位移分别为2.40μm、2.45μm,响应时间约为2ms。     

基于柔性铰链结构的二维微动工作台的设计分析

介绍了基于压电陶瓷驱动器(PZT)驱动的二维微动工作台。该微动台采用双柔性平行四连杆结构,运用参数化的分析方法求得铰链各尺寸对微动台固有频率、应力以及刚度的影响,将理论分析、有限元计算和试验测试的结果相结合,提出了一种微动台的设计方法。     

压电驱动三支链六自由度微动机器人机构设计

为简化6支链并联微动机器人结构、减小其装配误差,提出了压电陶瓷驱动的3支链6自由度并联微动机器人结构。采用整体式下平台和3条两端带有柔性球铰链和单轴直圆柔性铰链的支杆,使结构紧凑并有利于提高精度。在分析逆解的基础上,根据工作空间要求设计了整体尺寸。根据柔性铰链选取原则,对直角平板和支杆处柔性铰链进行尺寸选择,采用有限元分析对整体刚度进行分析和安全校验。样机测试结果表明了设计的可行性。     

双向驱动的柔顺结构微动平台的设计与测试

针对微纳操控技术对微动平台提出的大行程、高精度、多自由度和输出位移解耦等要求,设计了一种基于两级放大机构的xy两自由度双向驱动微动平台。分析了微动平台的运动及放大原理,建立了微动平台结构的理论模型和有限元模型,并对其进行了测试。平台输出特性测试结果表明,微动平台的放大倍数可达8.5倍,与仿真值误差为6.9%,同时耦合位移控制在0.82%内;平台在150 V三角波信号驱动下,x方向上正、负向输出位移分别为84.6μm、-84.2μm;y方向上正、负向输出位移分别为85.0μm、-84.5μm。不同频率下的最大位移只在极小范围内波动,在x、y方向的正、负向输出具有很高的相似性和稳定性,实现了双向驱动,大行程、高精度的目的。     

两平动一转动三维并联压电微动平台的设计

为提高微定位系统的灵敏性,设计了三自由度并联压电微定位系统的新构型。首先,在考虑平台结构具有对称性的基础上,采用双平行四连杆机构对台体进行设计,并设计了可集成于台体的承载模块及传感器安装模块;接着,采用有限元法对平台的位移、应力、刚度及模态进行了分析;最后,基于所搭建的实验系统,对平台的位移及频率响应特性进行了测试。实验结果表明,在120V电压的作用下,平台沿x向的最大位移为26.0μm(此时沿y向产生的寄生位移为141.0nm),沿y向的最大位移为25.9μm(此时沿x向产生的寄生位移为39.7nm),绕z轴的最大转角为210μrad;平台x、y向的位移分辨率均为6.5nm;平台x、y、θz向的固有频率分别为328.0Hz、481.3Hz、402.8Hz。     

基于钝化微分的压电微动平台PID控制

为避免压电微动平台在工作过程中受到扰动或冲击,采用改进比例、积分、微分(PID)控制器对其进行控制。首先,在平台的PID控制器中引入低通滤波器,以降低微分环节对扰动或冲击的敏感性(即使微分环节对扰动或冲击产生钝化效应),进而设计出了压电微动平台的改进PID控制器;接着,基于所搭建的压电微动平台位移测量系统,实验验证了所设计的钝化微分PID控制器的效果。实验结果表明,在钝化微分PID控制作用下,平台具有较快的响应,达到5μm阶跃目标的响应时间为0.3s,无超调;平台的定位误差显著减小,在跟踪最大值为15.25μm的变幅值三角波时,定位误差中线由无控制时的-0.7～1.2μm减小为-0.1～0.1μm。     

基于阈值优化的压电微动平台迟滞模型

为减少PI迟滞模型的无效算子数,进而提高模型的运算速度,采用阈值优化法来改进PI迟滞模型。采用PI迟滞模型拟合被描述对象的实测曲线时,实测曲线在各阈值点处的斜率可用该点处迟滞算子的权重和来表达,该权重和越接近该点曲线的斜率,PI迟滞模型的精度就越高。这样便可在保证模型精度满足要求并使其在各阈值点处相同的情况下,对模型的阈值进行优化,进而减少模型的算子数。根据测得的最大实测升程曲线,基于阈值优化法,建立了压电微动平台的迟滞模型。实验结果表明,所建模型算子数仅为7个,且不含无效算子;在0~15.94μm的位移范围内,所建模型的误差变化范围为0.23~0.40μm,即1.4%~2.5%。所建模型可较好地描述压电微动平台的迟滞非线性。     

压电微动平台的改进PI迟滞模型研究

为了建立既有较高精度又有较快运算速度的压电微动平台迟滞模型,对传统PI迟滞模型进行了改进研究。由于压电微动平台初载曲线前半升程斜率变化较大,而后半升程斜率变化较小,因此,采用非等分域值方法建立了其PI迟滞模型,通过求取所建模型与实测初载曲线误差的最小二范数辨识出了模型的相应参数,实验验证了所建模型的有效性。实验结果表明,在20.7μm的平台最大位移范围内,模型的最大误差为0.71μm,平均误差为0.23μm。     

二维整体式微米工作台解耦问题的研究

在对整体式柔性运动机构分析的基础上,提出了一种能够消除多维微运动机构间耦合误差的整体式微米级运动机构,并借助Ansys的分析工具对研究结果进行了静力学分析及其优化。在此基础上开发出一个整体式二维解耦工作台。     

材料微观力学性能测试加载装置研究

材料微观力学性能测试以纳米压痕和划痕最具代表性,通过连续记录载荷-深度关系曲线,进而分析获取被测材料的硬度、弹性模量及粘附性等参数。该文提出一种压头固定,试件运动的纳米压痕加载装置,以压电叠堆驱动、柔性铰链传动,实现压入与压出过程。首先讨论了两种用于纳米压痕/划痕的直角式柔性铰链方案,进行了静力和模态分析;其次对精密加载单元进行具体结构设计和有限元分析;最后试制了加载装置样机并进行压痕实验。研究结果表明,该装置可较准确测取材料硬度,且具有较好的稳定性。     

微进给刀架中位移放大机构的优化设计

基于压电陶瓷驱动的刀具微进给机构是满足精密加工的重要途径,为进一步增加微进给刀架驱动位移,在微进给刀架中增加一种柔性铰链微位移放大机构,增加压电陶瓷驱动器输出位移。该文设计了4种微位移放大机构,理论计算了静态刚度,利用ANSYS软件对4种微位移放大机构进行了建模和有限元数值仿真分析,对比了不同类型的微位移放大机构的放大倍数、负载能力和应力情况等静态特性,为优化设计刀具微进给机构打下良好基础。     

直线电机精密工作台运动控制器设计

为了提高精密工作台的轨迹跟踪精度和动态响应性能,基于辨识出的控制对象离散化模型,利用极点配置方法设计了精密工作台运动控制器的前馈环节和反馈环节,构成具有两自由度结构的精密工作台运动控制系统.通过实验,与PD＋加速度前馈的控制方式相比较,精密工作台静态定位误差提高了0.5 μm;当精密工作台以120 mm/s匀速运动时,轨迹跟踪精度提高了3 μm;定位建立时间缩短了10 ms.结果表明,采用极点配置方法设计的运动控制器具有较好的动态响应和轨迹跟踪性能.     

压电尺蠖直线电机的设计

为实现大行程、高分辨率精密驱动,该文提出了一种压电尺蠖直线电机的设计方法。首先,基于尺蠖运动原理,对电机进行了结构设计,它包括左、右箝位机构、驱动机构和输出轴,左、右箝位机构结构相同,用来对输出轴交替箝位与释放,驱动机构可以微米级及纳米级地步进输出位移,在左、右箝位机构及驱动机构的共同作用下,输出轴可连续输出大行程直线位移,该电机结构简单紧凑,便于调节,并可断电自锁;其次,采用有限元法对箝位机构及驱动机构进行了仿真分析,初步获得了电机的静、动态特性;最后,基于所搭建的实验系统,对电机的静、动态特性进行了测试。结果表明,在5mm的运动范围内,电机输出位移具有良好的直线性;在50 Hz的驱动电压作用下,电机运动速度为59.1μm/s;电机输出位移具有较高的分辨率,达到21nm。     

一种磁吸附式微小型惯性粘滑运动平台研究

在显微操作领域中,要求运动平台能在狭小空间中实现高精度的位姿调整,因此,该文提出了一款整体尺寸仅10 mm×10 mm×10 mm的惯性粘滑精密跨出度定位运动平台。该结构的设计采用将惯性部分与滑块部分集成为一体的设计方案,摩擦力使用磁铁来提供。对惯性粘滑运动平台中的柔性铰链进行尺寸优化,并使用有限元分析软件进行校核,验证理论分析的正确性。测试样机性能结果表明,水平方向最大运动速度为4.966 mm/s,竖直方向上运动速度可达2.1 mm/s,正、反向最大单步位移分别为2.984μm和2.349μm,步长重复性良好。实验证明,该样机具有体积小,运动速度快,步长重复性稳定等特点,适用于狭小空间内的高精度运动。     

激光微加工电热微夹钳设计与FEA仿真

选用厚度为12.5μm的镍箔,采用激光微加工技术制备尺寸为2.8 mm × 1.4 mm ×0.0125 mm的微夹钳.其每一对级联元件由一系列致动单元组成,而每个致动单元由一个制约器和两个呈半圆形的动作梁构成,其驱动原理是电热效应.运用有限元分析(FEA)仿真了微夹钳的动态性能,对其动态性能进行了实验测试.测试结果表明,当电压为1.9 V时,最大位移量达到28.8μm,延迟时间小于200 ms.