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。     

旋转尺蠖压电电机钳位机构设计及动力学分析

提出旋转尺蠖压电电机,该电机具有结构简单、定位精度高、输出力矩大、能实现微动压电电机大行程等优点。分析其驱动原理及关键部件钳位机构设计方案;考虑杠杆位移放大梁及长柔梁弯曲、扭转振动变形,建立钳位机构动力学模型,获得前8阶固有频率及模态函数;讨论钳位机构结构参数对固有频率影响规律,并实验验证理论分析的正确性。     

新型纳米分辨率位移定位平移台的研制

为克服已有压电驱动器存在的结构及控制系统复杂、定位行程小等缺陷,利用压电陶瓷的逆压电效应设计并制作了一种新型的压电纳米步进驱动器,建立光栅测试系统对这种压电驱动器的动态性能进行了测试.将压电纳米步进驱动器与电磁伺服马达耦合,设计新颖驱动结构,利用微机通过步进运动控制卡统一控制,实现大范围一维纳米分辨率位移定位.系统样机解决了所研制压电纳米步进驱动器双向运动、实用定位等问题.位移定位分辨率为50 nm,定位行程为100mm,纳米分辨率定位最大速度为0.6 mm/s.     

压电喷墨驱动器特性研究及参数优化

目的 研究压电驱动器结构参数对其驱动性能的影响,并对其结构进行优化,为进一步研究压电喷墨的喷射特性奠定基础.方法 总结近年来压电喷墨印刷技术的研究现状,利用有限元数值模拟软件Comsol Multiphysics建立压电驱动器的数值模型,分析压电薄膜PZT、SiO2振动板和Parylene保护层这3个部分的结构尺寸对压电驱动器位移的影响规律,并且利用正交试验方法确定压电驱动器主要部件的最优尺寸.结果 压电驱动器的结构尺寸对其振幅有较大影响,不同的结构组合可以得到不同的压电驱动器位移.在压电薄膜与振动板宽度之比为0.7,振动板宽度为140μm,保护层厚度为0.7μm,振动板厚度为0.9μm,压电薄膜厚度为1μm时,驱动器位移达到最大.结论 通过对压电驱动器的结构尺寸进行优化,可使驱动器位移达到最大,从而使其驱动性能最优.     

一种压电喷墨打印机喷头的动力学特性研究

为研究压电薄膜驱动的应用,介绍了一种MEMS压电喷墨打印机喷头的工作原理.重点研究了逆压电效应作用产生的机械振动特性.模型结构由一种耐热玻璃与沉积在其表面的压电薄膜复合而成.针对圆形、方形两种形状的压电薄膜,利用有限元分析软件ANSYS分别求得复合结构的最大静位移0.57μm和0.36 μm,一阶固有频率23.90 kHz和22.30 kHz,并比较了两种情况下的动力特性.仿真结果表明,所施加驱动交流电压的频率对该结构可产生很大的影响,其最大机械变形主要取决于谐振频率,从而为喷墨打印机喷头及类似器件的设计提供参考.     

压电叠堆位移放大致动器的动态特性

为了准确掌握压电叠堆位移放大致动器的动态特性,本文利用谐响应分析、阻抗测试法和动态投影栅线法对其进行分析研究。首先,使用ANSYS分析软件对放大机构的模态和位移随频率变化情况进行有限元分析。然后,运用压电陶瓷的阻抗测试法,对这一压电致动器的阻抗特性进行测量分析。最后通过动态投影栅线法对压电致动器的通放电位移状况进行测量分析。实验结果表明：位移放大机构的谐响应频率为1724Hz,能提供较大的输出力矩;压电致动器的谐振频率为8.3KHz左右,反谐振频率为8.75KHz左右,它的工作最快响应时间在0.3ms以内;它能在0.5ms内完成位移的突变,位移波动小于5um,且位移量随电压值呈线性变化;放电时的动态位移过程平稳。因此,这一压电致动器具有响应速度快,位移波动小、线性度好、精度高,输出力矩大等较好的动态响应特性,能被广泛应用于各种需要响应快、精度高、位移大的微位移控制驱动系统中,其应用前景值得期待。     

新型压电陶瓷驱动器的特性分析

讨论了一种基于压电陶瓷的新型叠堆驱动器,并阐述了其工作原理,推导出该驱动器的力学性能公式。基于压电陶瓷材料的机电耦合特性,运用ANSYS有限元软件对此驱动器进行了数值分析,研究了其驱动性能,分析结果表明,其输出位移和输出力均与输入电压呈线性关系,在较低电压下可获得较大变形量,且具有良好的动态响应特性。该叠堆压电驱动器结构简单、尺寸小、成本低,通过输入电压即可实现位移控制,可作为较好的自适应控制驱动器应用于智能摩擦阻尼器的驱动装置。     

三角混合两级杠杆微位移放大机构的设计及性能分析

针对压电执行器和压电驱动平台输出行程有限的问题,设计了一种三角混合两级杠杆微位移放大机构。首先,理论推导了该微位移放大机构的位移放大公式,得到了位移放大比;其次,分析了不同类型两级杠杆结构支点铰链对施加载荷的敏感性;最后,利用ANSYS软件对机构进行静力学和动力学仿真,对机构的相对寄生运动比和固有频率进行了分析。结果表明：当选取直梁形铰链作为两级杠杆结构的支点铰链时,机构对施加载荷的敏感性较强;机构位移放大比理论值与仿真值的相对误差为9.56%,相对寄生运动比为0.348 2,且1阶固有频率最佳。所设计的微位移放大机构具有较小的寄生位移、较强的抗干扰能力和较好的动力学性能。研究结果为压电驱动器或快速反射镜支撑结构实现大量程的位移输出提供了一定的理论指导。     

曲柄群驱动机构刚柔耦合的动平衡研究

针对曲柄群驱动机构运转过程存在较大振动和噪音的问题,根据平面连杆机构动平衡理论中质量矩替代法和动量矩替代法推导出曲柄群驱动机构的动平衡条件.利用ADAMS软件建立刚性体六曲柄群驱动机构的动力学模型,并对比分析模型配重前后各曲柄固定转动副处的受载曲线,基于刚性体虚拟样机模型仿真结果得到机构刚柔耦合虚拟样机动平衡模型.该刚柔耦合模型仿真结果说明六曲柄群驱动机构摆动力和摆动力矩均得到了较好的平衡,揭示了只靠施加配重质量的曲柄群驱动机构并不能实现理想的动平衡效果.这种刚柔耦合的动平衡方法为进一步研究曲柄群驱动机构的动力学特性提供了新的思路.     

基于MEMS工艺制造的阀芯阀座密封副的压电阀门

为了提高压电阀门的流量和动态性能,使其适用于微推进系统,本文研究了一种基于MEMS工艺制造的阀芯阀座密封副的压电阀门.采用MEMS工艺制作了硅片阀芯阀座,使阀门整体结构简单紧凑,获得了良好的密封效果(在阀门入口气压为1 MPa的情况下泄漏率小于0.001 mL/min),并使阀门达到了较大的流量.在入口气压大于0.4MPa,压电堆所施加的电压为200 V时,阀门流量均超过3 000 mL/min,满足微推进系统的要求,避免了位移放大机构.在阀门的驱动部分,设计了一种新型的柔性铰链机构,其中的"T"形架实现了阀门的常闭功能,"双弹簧"结构实现了对密封副和压电堆的同时预紧,保证了阀门具备较好的动态性能.     

一种非对称式压电驱动微夹持器

针对微管类(直径0~300μm)零件的夹持需求,基于有限元分析设计了一种非对称式压电驱动的微夹持器.该微夹持器采用柔性铰链实现压电陶瓷输出位移的传递和放大.采用平行四杆机构实现夹钳末端的平行移动.通过检测柔性铰链处应变的方法,间接地测量夹持力和位移信息.微夹持器的实验特性显示位移的放大倍率为5.6倍,夹持器末端夹钳可以实现平行移动.力和位移标定实验中显示夹持力的分辨力在2.41 m N,位移的分辨力在0.22μm,且力/位移与应变具有很好的线性关系.采用增量式PID的控制算法对系统进行力/位移的闭环控制.以微型玻璃管(直径150μm)夹持为例,系统的阶跃响应实验显示,系统的力/位移控制可以实现无超调.实验结果表明增量式PID控制算法可以实现对本微夹持器力/位移的准确、稳定控制.     

压电陶瓷驱动器菱形位移放大机构的动态应变测量

为监测压电陶瓷驱动器并联驱动时各自的动态输出状态,利用压电陶瓷驱动器中位移放大机构的菱形对称结构建立全桥应变测量方法,通过位移放大机构菱边在振动过程中的动态应变变化来反映压电陶瓷驱动器的工作状态。对不同状态下位移放大机构菱边的动态应变进行实验研究,结果表明:利用位移放大机构对称菱边建立的全桥应变测量方法能够有效获取位移放大机构在振动过程中的动态应变变化,且能够对位移放大机构的运行状态进行实时监测,在带负载和不带负载情况下,设计的位移放大机构菱边在振动过程中的应变量级都在几个微应变,该测量结果也反映出设计的位移放大机构刚度较好,能够保证压电陶瓷驱动器有较好的输出性能。     

大位移压电陶瓷驱动器的设计与试验

针对大位移压电陶瓷驱动器,研究了压电陶瓷双晶片的驱动效能。基于压电陶瓷材料的逆压电效应,应用压电陶瓷双晶片在机械自由、电学短路状态下,一片加正向电压缩短另一片加反向电压伸长共同作用产生弯曲变形,通过组合设计将压电陶瓷双晶片的弯曲变形位移叠加起来,实现了压电陶瓷驱动器的大位移输出。在相同电压的条件下,此压电陶瓷驱动器的输出位移量比叠层驱动器有较大的增加,达200μm,结构尺寸也大大减小。该驱动器不需要位移放大机构,可直接应用于有大位移要求的机构驱动。     

具有大位移驱动能力的RAINBOW压电陶瓷研究进展

RAINBOW(Reduced And Internally Biased Oxide Wafer)压电陶瓷具有内部应力偏移,兼有还原层和未还原化层,并有特殊的拱形结构.在电场作用下,可以产生很高的轴向位移,能承受比一般压电陶瓷更大的应力载荷,是一种具有广阔应用前景的驱动材料.本文综述了RAINBOW压电陶瓷的力学分析方法、还原机制、微观组织结构、驱动特性,并指出了RAINBOW压电陶瓷的发展趋势.     

基于超磁致伸缩和压电陶瓷的XY超精密定位工作台

基于蠕动运动原理,利用超磁致伸缩材料作为驱动元件研制了直线式蠕动进给机构,同时还研制了压电陶瓷-柔性框架式蠕动进给机构．后者放置于前者之上,构成了具有毫米级行程、纳米级定位精度的XY二维精密定位工作台．在计算机控制下,对XY向位移分别进行了闭环反馈控制并测试了它们的步进性能．试验结果表明,工作台在X和Y方向上可以稳定地蠕动步进或后退,X向蠕动机构定位精度为±15 nm,Y向蠕动机构定位精度为±50 nm．     

基于MEMS存储器中二维驱动机构数值模型分析与实验

分析了MEMs数据存储器机构中柔性弹簧的线性大位移驱动特性,提出了一种等效数值模型,并利用该模型等效替换数据存储器驱动机构的关键部位,保留了MEMS数据存储器驱动机构的实际工作特性,并在此基础上将驱动机构转换成质量块和弹簧结构两种单元形式,解决了驱动机构中相对小尺寸有限元建模的问题,大大减少了单元数量．通过设计实验系统进行对比验证,驱动仿真分析结果与实验结果具有良好的吻合性,验证了该等效过程及模型的正确性．为MEMS数据存储器驱动机构的开发提供了理论设计和实验参考．     

一种新的大行程垂直纳米运动工作台设计与控制研究

在大行程高精度垂直运动中,工作台的设计及稳定控制是关键因素。因此设计一种新型的具有平衡机构的工作台,以实现垂直方向上大行程纳米稳定运动。所研究工作台采用N331压电直线电机独立驱动,通过空气静态导轨悬浮,设计Z轴平衡系统降低垂直向电机驱动负载。利用步进控制方式完成大行程驱动,模拟方式实现微位移精密驱动控制。所提出的驱动与控制策略,可实现100 mm垂直方向上高精度快速精密驱动。另Z向也可实现纳米步进模式与模拟模式的复合控制。在全行程100 mm的范围内定位波动可限制在±9 nm内。通过验证实验,本运动工作台可适用于微纳米三坐标测量机、微光刻和微加工应用的驱动与控制任务。     

10 kV真空断路器弹簧操动机构合闸传动优化设计

真空断路器弹簧操动机构中四杆机构杆件结构与合闸弹簧参数对动触头合闸速度和位移特性具有直接影响,包括冲程弹跳与机构磨损量等.以10kV断路器用弹簧操动机构为对象,采用SolidWorks软件建立运动系统三维模型;引入动力学仿真软件ADAMS对三维模型进行运动特性分析.在保证分闸储能位分闸弹簧压缩量不变的条件下,以连架杆与...     

纳米级定位精度弹性位移缩小机构的仿真与实验

研究了一种具有纳米级定位精度的弹性位移缩小机构．该机构采用柔性铰链杠杆结构,这种弹性位移缩小机构可以将传统螺母丝杠系统精度提高到纳米级,同时非线性、迟滞误差小．首先采用刚体模型建立了弹性位移缩小机构的理论模型;然后运用ANSYS有限元软件分析了弹性位移缩小机构的特性;最后使用双频激光干涉仪对弹性位移缩小机构的输出特性进行了测量．理论与实验结果表明,理论模型可以较好地反映输入与输出的关系,可作为设计弹性缩小机构缩小率的重要依据;有限元模型计算结果与实验结果接近;实验结果表明,该装置行程可达10μm,分辨率可达10nm．     

高控位精度横向模压电微位移器的研究

介绍了d31横向伸缩模式压电徽位移驱动器的制作过程,应用高稳定的填满钨青铜型压电陶瓷作为该器件制备的基料,利用P-F干涉仪原理测量了电场-位移特性曲线,由此计算了压电常数d31并进行了讨论。该器件具有电控应变(位移)线性度高、滞后量小以及结构简单、制作工艺方便等特点,它在精密光学等技术领域有一定应用价值。