一类面内弯曲模态行波直线超声电机的研究

提出了一种新型含有不完全齿的圆环型行波直线超声电机,电机的动子滑块在一定预压力下紧贴在圆环型振子外表面齿形结构的端面上,4个压电陶瓷片间隔90°均布于圆环型结构的内侧,4组驱动齿分别与压电陶瓷片位置间隔45°布置。电机工作时,仅一处驱动齿工作,通过轮换不同工作齿的方式可提高超声电机的寿命。电机利用两个同频正交的面内三阶弯曲模态工作。利用有限元软件对振子进行了动态设计与仿真,分析了结构参数对模态的影响。加工制作了原理样机,并测试了样机的振动特性及输出性能。实验结果表明,该电机在激励电压峰-峰值为240 V,激振频率为30.459 kHz,预压力为0.6 N时,电机运行平稳,最大输出力为90 mN,电机的空载速度为102 mm/s。     

双足压电振子驱动模式的比较研究

为比较驻波直线超声电机双驱动足同时驱动与交替驱动的两种工作模式,该文提出了一种多足驱动的超声电机振子。该振子双侧共有4个驱动足,其中一侧的2个驱动足实施同时驱动模式,另一侧的2个驱动足实施交替驱动模式,便于比较及分析两种模式之间的性能差异。通过有限元仿真确定了压电振子的结构尺寸、弯曲工作模态及固有频率,制作振子并开展了振子的振动特性和输出性能及其比较的实验研究。实验结果表明,在激励电压峰峰值100 V、谐振频率26.30 kHz的条件下,交替驱动时空载速度和最大输出力比同时驱动提高了14%和40%。在交替驱动模式下,避免了因多个驱动足互相干扰动子而导致压电振子输出功率降低的问题,输出速度和输出力得以提高,与同时驱动模式相比,交替驱动模式有利于改善输出性能。     

双变幅杆V形直线超声电机研究

提出一种改进的V形直线超声电机.该电机利用两垂直兰杰文振子的纵、弯振动,在其驱动足处形成椭圆运动,推动动子运动.采用超声变幅杆结构的兰杰文振子,放大了定子驱动足处的振幅.有限元法用来设计定子结构尺寸,调节对称模态与反对称模态的频率一致性.实验表明,在预压力50 N下,该电机最大空载速度为235 mm/s,最大输出力21.4 N,定子质量为87.3 g,推重比达25.     

质量块位置对压电悬臂梁发电性能影响分析

利用ANSYS有限元仿真软件,建立压电悬臂梁发电振子的ANSYS模型,并进行了模态分析和谐响应分析。当加速度为0.015 m/s2,质量块在不同位置时,仿真分析了压电悬臂梁发电振子输出的开路电压随频率的变化。由仿真结果可知,当质量块距离夹持端75 mm时,压电悬臂梁发电振子输出的开路电压有效值最大可达19.3 V。搭建试验台,研究了质量块在不同位置时压电悬臂梁发电振子的输出特性。实验结果表明,当质量块距离夹持端77 mm时,在加速度一阶谐振频率下,压电悬臂梁发电振子输出的开路电压有效值最大可达17.8 V。在经全桥整流电路接阻容电路,电阻为1.3 MΩ时,电阻上获得最大瞬时功率为55 μW。研究结果表明,带质量块的压电悬臂梁发电振子振动能量发电梁中的质量块存在一个最佳位置,使装置开路电压和输出功率最大。     

一种弯曲模态直线超声电机的研究

提出了一种改进的弯曲模态直线超声电机。该电机利用兰杰文振子两相正交的3阶弯曲振动,在其驱动足处形成椭圆运动,推动动子运动。采用超声变幅放大了定子驱动足处的振幅。利用有限元方法用来设计定子的结构尺寸。实验表明,在电压峰-峰值200V下,该电机最大空载速度为113mm/s,最大输出力为10N。     

新型锥壳形旋转超声电机的研究

该文提出了一种新型锥壳形旋转行波超声电机,该锥壳形超声电机振子的三阶弯曲振动模态可以将面内、外弯曲振动结合起来,实现新型振动模式的行波驱动。利用有限元软件确定了振子结构尺寸、三阶弯曲振型及频率并制作了原理样机,对原理样机振动特性及输出性能进行了测试。测试结果表明,当激励电压峰峰值为240 V,谐振频率为27.53 kHz时,空载时超声电机最高转速为85.8 r/min,堵转力矩为441 mN·mm。     

新型纵弯超声电机振子的设计与分析

提出了一种新型纵弯超声电机振子结构,本振子分为两组进行激励,通过控制输入激励信号,实现在振子上激励出在时间上相差π/2的纵弯模态响应,纵弯模态响应叠加在振子驱动足上产生椭圆运动轨迹,进而通过驱动足和动子之间的摩擦作用,使动子产生运动。该文在分析该振子工作机理的基础上,建立了纵弯振子的参数化有限元模型,通过模态分析进行模态特征频率的结构参数灵敏度分析,最终实现振子的纵弯模态的匹配。并对振子驱动足表面质点振动轨迹进行了分析,瞬态分析得到振子驱动足表面质点运动轨迹接近理想的椭圆轨迹,分析结果为物理样机的研制提供了理论依据。     

V形大推力直线型超声电机的运动机理分析

随着超声电机应用的进一步深入,在工业机器人、航空航天等应用领域,需要一种具有较大输出力的直线型超声电机。因此,如何提高直线型超声电机的输出力成为超声电机研究者所关心的课题,国内外很多学者都曾致力于大输出力的直线型超声电机的研究,以进一步扩大其应用领域。目前,国内外的研究多集中于电机内部结构的各种改进方案上。1999年,日本学者Kurosawa提出了一种可用于直线型超声电机的高速、大推力压电振子,该振子利用面外振动模态工作。加上动子,即可构成直线型超声电机,它具有结构简单,输出速度和力较大的特点。该文采用运动矢量分析法,对该种电机的运动机理进行分析,并在此基础上设计制作了样机,该样机的最大速度可达0.9 m/s,最大推力可达20 N。     

双作动板驱动的压电宏微直线作动器研究

针对单板式压电作动器动力小、速度低等问题,为丰富宏微直线作动器形式,该文提出基于双作动板式定子的压电直线作动器。选定双作动板的一阶纵振和二阶弯振为作动器工作模态,利用纵振驱使动子滑移,借助弯振实现驱动足与动子的动态接触与分离。阐释了双作动板推动动子前移的过程,推导出驱动足的椭圆轨迹方程及椭圆形成条件。优化出定子结构尺寸为45.3 mm×11.2 mm×6 mm,实现了两工作模态的简并。建立了定子机电耦合分析模型,解算出两相工作模态的振型,求得两相模态频率分别为34 994 Hz和34 998 Hz,模拟出驱动足的椭圆行进轨迹,求得定子的调压及调频振动特性。测试表明,当驱动电压的幅值和频率为250 V、34 938 Hz 时,驱动足的x、z向振幅分别达1.34 μm和2.73 μm,足以推动动子移进。设计了双板式作动器的装配结构,建立了其三维装配模型。该作动器有望输出较大动力与速度,具有广阔的应用前景。     

弯振模态板状直线超声电机的研究

通过改进直线超声电机的驱动足、夹持等结构形式,提高了电机的输出特性。设计了一款新型直线电机,电机由对称分布的板状振子和具有柔性的驱动足组成。通过ANSYS软件建立了电机有限元模型并分析电机工作模态,根据模态一致性原则设计电机尺寸;利用板状结构的弯振模态,降低了驱动频率,提高了输出效率;电机驱动足具有一定的柔性,在夹持组件作用下实现预压力的施加。最后对样机开展实验研究,结果表明,电机定子模态测试数据与仿真分析结论吻合,工作频率为27.5kHz,附近无干扰模态,相位差为90°,工作时发热较少;最大输出力为44N;双向驱动速度一致性良好,其中最大输出速度为267mm/s。     

压电双晶片阵列式直线驱动器的设计与研究

基于压电双晶片提出一种新型准静态直线压电驱动器,可通过阵列的方式获得所需机械输出力,结构简单,性能稳定,可控性强。利用有限元软件对驱动器结构进行设计与分析,并加工制造了该驱动器的物理样机。最后通过实验发现,当驱动频率为500~2 100Hz时,驱动器可直接输出直线运动。当驱动频率为1 100Hz,驱动电压峰-峰值为200V,预紧力为1.5N时,该驱动器最大输出速度可达95mm/s,最大输出力为0.7N。     

Control design of a novel compliant actuator for rehabilitation robots

Rehabilitation robots have direct physical interaction with human body. Ideally, actuators for rehabilitation robots should be compliant, force controllable, and back drivable due to safety and control considerations. Series Elastic Actuators (SEA) offers many advantages for these applications and various designs have been developed. However, current SEA designs face a common performance limitation due to the compromise on the spring stiffness selection. This paper presents a novel compact compliant force control actuator design for portable rehabilitation robots to overcome the performance limitations of current SEAs. Our design consists of a servomotor, a ball screw, a torsional spring between the motor and the ball screw, and a set of translational springs between the ball screw nut and the external load. The soft translational springs are used to handle the low force operation, while the torsional spring with high effective stiffness is used to deal with the large force operation. It is a challenging task to design the controller for such a novel design as the control system needs to handle both the force ranges. In this paper, we develop the force control strategy for this actuator. First, two dynamical models of the actuator are established based on different force ranges. Second, we propose an optimal control with friction compensation and disturbance rejection which is enhanced by a feedforward control for the low force range. The proposed optimal control with feedforward term is also extended to the high force range. Third, a switching control strategy is proposed to handle a transition between low force and high force control. The mathematical proof is given to ensure the stability of the closed-loop system under the proposed switching control. Finally, the proposed method is validated with experimental results on a prototype of the actuator system and is also verified with an ankle robot in walking experiments.     

压电式合成射流致动器的设计与实验研究

采用两种不同的压电陶瓷片制作了压电振子,基于压电振子设计了不同喷口形式和压电振子布局形式的合成射流致动器.实验中利用热线风速仪对致动器喷口中心的速度进行了测量.结果表明,所设计的合成射流致动器喷口峰值速度达22.55 m/s,致动器典型布局时方形缝倾斜角对喷口峰值速度影响较大,90°法向射流比45°倾斜射流能获得更大的喷口动能,射流法向喷出时致动器典型布局比侧面布局能获得更多的喷口动能.     

大口径SiC主镜主动支撑研究及促动器设计

大口径轻量化SiC主镜是一种新型主镜,之前没有成功的支撑案例作为参考。通过对各类大口径主镜的主动支撑技术的优劣进行分析,确定利用液压并联力促动器的支撑方式对SiC轻量化主镜进行支撑,并利用自由谐振模式定标方法研究了某4 m SiC主镜的校正力需求,计算发现该主镜对力促动器的校正力分辨率要求为0.1 N。针对这一需求,详细分析了影响机械式力促动器精度的主要因素,并进行了相应的设计,采用步进电机作为动力源,通过大减速比减速器驱动滚珠丝杠输出微米级微位移,并利用复合弹簧系统将位移转化为作用力,最终设计并加工出一款高精度力促动器,并对促动器进行了测试,发现该促动器的输出力范围-400～400 N,位移分辨率0.96 m,力分辨率0.05 N,可以满足主动支撑对力促动器的需求。     

轴向压缩悬臂梁压电双晶片动静态特性研究

研究施加轴向压缩力于悬臂梁压电双晶片端部以增大端部输出位移和力的问题,对其进行了有限元分析,并推导了弹性力学解析解及模态方程,得到了符合程度较好的结果。研究结果表明,在120V电压及5.5N轴向力作用下,端部阻塞力达0.25N,输出位移较原来增大3倍以上(达5mm),而一阶特征频率随轴向力增大而加速减小。当轴向力达到一阶临界屈曲时,一阶特征频率趋于0,但当轴向力取一阶屈曲力的70%时,其1阶固有频率仍有45Hz,相较于普通伺服舵机有较大的优势,可有效提高微小型飞行器的操稳性。     

新型摩擦变化式压电惯性驱动器

由于目前压电惯性驱动器普遍采用非对称性信号激励,驱动信号发生与控制系统复杂,该文提出采用对称电信号激励压电元件产生往复相同的惯性冲击力,通过控制机构和支撑面之间的摩擦力,使驱动器定向运动,形成有规律的新型压电惯性驱动器的研究方案.分析了驱动器的工作原理及结构特点,建立了驱动器的动力学模型,设计研制了基于V型导轨的摩擦变化式压电惯性驱动器样机并进行了仿真分析与试验测试,结果表明,提出的新型驱动器具有输出性能稳定,负载特性好,重复定位精度较高等特点.     

微小型高压力流体电磁控制阀

用于航空航天领域微流量控制系统中的微小型阀 ,需要具有耐高压、低泄漏、高频响和高控制精度等综合性能。本文提出了一种可控高压力微流体的常闭微小型阀的设计方案用于满足该系统需要 ,其特点在于采用以较小的致动力控制较高的流体压力的结构原理 ,并以弹性材料薄膜作为阀芯的支承结构件同时作为密封件。该阀由其本体结构和外置致动器两部分构成 ,其本体结构的设计在制作工艺上适合进一步的微小型化 ,外置致动器的设计具有较大灵活性。初步研制了采用电磁致动的小型常闭阀样机既可控气体又可控液体的特性。实验测试其工作压力范围为 0～5atm ,阀的驱动响应时间小于 5ms,流量控制分辨率达到 9μL/ pulse ,无泄露     

压电作动器在微力微位移装置中的应用

在微力微位移装置中采用闭环控制压电作动器实现微位移进给和微力加载，设计了加载机构，建立加载机构的压电作动器输入电压、加载装置输位移和输出力之间的关系。通过电容测位移仪检测输出位移，实验得到加载系统刚度，根据压电作动器输入电压、加载装置刚度，计算出加载力大小。该方法为微机械力学性能测试仪打下了基础。     

Hybrid torque modeling of spherical actuators with cylindrical-shaped magnet poles

A ball-joint-like three-degree-of-freedom (3-DOF) spherical actuator which features a ball-shaped rotor with multiple permanent magnet (PM) poles and a spherical-shell-like stator with air-core coils is proposed to achieve omni-directional smooth motion in only one joint. Unlike previous study in which dihedral-shaped PMs are employed as the rotor poles, this paper utilizes cylindrical-shaped PMs to facilitate the fabrication and reduce the system cost significantly. Torque output of the spherical actuator is formulated with a hybrid method, i.e., using both analytical and experimental methodologies. Specifically, the analytical torque model of spherical actuator with dihedral-shaped PM poles is derived. Then a research prototype with cylindrical-shaped PM poles is developed, and a torque measurement testbed is built up to conduct experiment on the prototype. As the torque variation trend of actuators using two different types of PM poles with respect to the rotor orientation is similar, parameters in the analytical model are adjusted to fit with the experimental measurements. The resulting torque model can be employed for real-time motion control of the actuator. The cylindrical-shaped PM poles also reduce the inertial moment of the rotor by 60%, which is favorable for achieving better dynamic performance of the spherical actuator.     

基于集中参数模型的后缘小翼驱动机构分析

菱形压电驱动器是主动控制襟翼（ACF）系统实现直升机减振、降噪的关键。该文基于菱形放大机构的集中参数模型,发展了可用于负载性能计算的电路等效模型和简化模型。建立了分布式和集中式两种柔性放大机构的参数模型,并通过ABAQUS有限元进行了模型的有效性验证。对比分析了3种典型构型菱形框和压电堆的弹性变形对作动器输出位移和力的影响,揭示了其性能差异的原因。弹簧负载性能分析表明,当负载等效弹簧刚度等于作动器刚度时,作动器输出能量达到最大。