压电双晶片型惯性冲击式旋转精密驱动器研究

研制了一种以自由端带有集中质量的悬臂式压电双晶片为驱动单元的新型惯性冲击式旋转精密驱动器。对自由端带有集中质量的悬臂式压电双晶片的动态特性进行了有限元法和实验分析,提出了压电双晶片型惯性冲击式精密驱动器特定的定频调压驱动方法。对压电双晶片型惯性冲击式旋转精密驱动器进行了性能测试,驱动器旋转行程为180°、旋转步长分辨力为1μrad、最大转速为0.2 rad/min、最大扭矩为0.02 Nm。该驱动器结构简单,特别是成本为传统惯性冲击式驱动器的1/100左右。     

Impact drive rotary precision actuator with piezoelectric bimorphs

An impact drive rotary precision actuator with end-loaded piezoelectric cantilever bimorphs is proposed. According to finite element analysis and experiments of the dynamic characteristics of end-loaded piezoelectric cantilever bimorphs, a specific fixed-frequency and adjustable-amplitude is confirmed to control the actuator. The results show that an actuator excited by fixed-frequency and the adjustable-amplitude ramp voltage waveform works with a large travel range (180°), high resolution (1 μrad), speed (0.2 rad/min) and heavy-load ability (0.02 Nm). With advantages of high-precision positioning ability, simple structure and only one percent the cost of traditional impact drive mechanisms, the actuator is expected to be widely used in precision industries. __________ Translated from Optics and Precision Engineering, 2005, 13(3): 298–304 [译自: 光学精密工程]     

压电双晶片型2自由度精密驱动器的动态特性

研制以自由端带有集中质量的悬臂式压电双晶片为驱动单元的新型惯性冲击式2自由度精密驱动器.建立基于Karnopp摩擦模型的驱动器动力学模型,对驱动器动态特性进行仿真分析和试验对比研究.提出压电双晶片型惯性冲击式精密驱动器特定的定频调压驱动方法.仿真分析结果和试验结果吻合较好,表明该动力学模型符合驱动器的动态特性,可用于对压电双晶片型惯性冲击式2自由度精密驱动器的理论分析.     

基于惯性冲击原理的非对称夹持式压电旋转驱动器的实验研究

针对目前压电驱动器主要使用锯齿波这种非对称波电信号驱动压电晶体实现驱动的现状,设计了非对称夹持构件,提出了非对称夹持压电双晶片振子的旋转驱动器的结构设计方案,使对称波电信号作用在压电双晶片振子上,产生正反两方向大小不同的周期性惯性冲击力,驱动机构实现旋转位移。建立了压电旋转驱动器的动力学模型,并分析了非对称夹持旋转驱动器实现大小不同的惯性冲击力原理以及压电旋转驱动器的运动过程。组成了压电旋转驱动器的测试系统,在不同电压幅值、频率的方波激励下,对压电旋转驱动器的平均步长进行了测试。结果表明：非对称夹持式压电旋转驱动器能实现较稳定的单向转动,最大行程360°,最大承载能力超过300g,步长分辨率5µrad,最大转动速度4000µrad/s;驱动器样机在20V、2Hz的方波激励下,平均运动步长12µrad,转动速度24µrad/s。     

应用惯性冲击原理的非对称夹持式压电旋转驱动器的设计

针对目前压电驱动器主要使用非对称锯齿波电信号驱动压电晶体实现驱动的现状,采用对称电压信号驱动压电振子,设计了非对称夹持式压电旋转驱动器。用对称波电信号作用在压电双晶片振子上,产生正反两个方向大小不同的周期性惯性冲击力,驱动机构实现旋转位移。建立了压电旋转驱动器的动力学模型,分析了非对称夹持旋转驱动器实现大小不同惯性冲击力的原理以及压电旋转驱动器的运动过程。组成了压电旋转驱动器的测试系统,在不同电压幅值、频率的方波激励下,对压电旋转驱动器的平均步长进行了测试。结果表明:非对称夹持式压电旋转驱动器能实现较稳定的单向转动,最大行程为360°,最大承载能力超过300g,步长分辨率为5μrad,最大转动速度为4000μrad/s;驱动器样机在20V、2Hz的方波激励下,平均运动步长为12μrad,转动速度为24μrad/s。     

串联臂压电微电机驱动机理的研究

二级串联压电双晶片（串联臂）一端固定时，在特定的电信号控制下，自由端将沿椭圆轨迹运动。以串联臂为驱动元件，可用来驱动端面与其相接触的转子转动，构成串联臂压电微电机。研究了串联弯曲臂压电微电机的工作原理，设想了串联臂压电微电机的结构。     

压电电机的设计与实验研究

基于对压电陶瓷材料的特性研究,利用压电陶瓷的逆压电效应,压电陶瓷双晶片通过组合设计得到压电驱动元件,分析了在电激励条件下,压电陶瓷双晶片悬臂端振动通过摩擦力和惯性力驱动转子转动并输出转距的原理,研制了一种基于摩擦式的压电电机.研究了压电电机输出转速、转矩特性与激励电压频率之间的关系,试验表明:压电电机具有良好的输出特性,响应快、发热很少、转动平稳且可实现双向回转,结构简单,容易实现闭环控制.此设计为进一步研究实用的小型化、低成本、高效率的压电电机提供了一种新的设计方法.     

内箝位型压电精密步进旋转驱动器

提出一种新型的压电精密步进旋转驱动器。该驱动器以仿生运动的原理,以压电陶瓷叠堆为动力源,采用定子内侧箝位的方式和薄壁柔性铰链微变形结构,提高该驱动器箝位的稳定性和步进旋转的稳定性。通过静力学有限元分析和动力学分析,较深入地研究了该驱动器的运动特性,并对驱动器旋转分辨率、旋转速度、驱动转矩等方面进行试验研究。研制的内箝位型压电精密步进旋转驱动器能够实现高频率(40 Hz),较高速度(325 μrad /s),大行程(大于360°),高分辨率(1 μrad),较大驱动力矩(30 N·cm)等特点,有效提高了压电精密步进旋转驱动器的驱动性能。该驱动器在精密运动、微操作、光学工程以及精密定位等精密工程中具有广阔的应用前景。     

串联弯曲臂压电微电机机理初步研究

把两片压电双晶片(PZT Bimorph)串联在一起,构成串联弯曲臂.一端固定,另一端自由时,在相位差为π/2的一定频率的方波信号驱动下,弯曲臂的自由端将形成类似椭圆的运动轨迹.以串联弯曲臂为驱动元件,可用来驱动与其端面相接触的转子转动,构成串联弯曲臂式压电微电机.本文将对串联弯曲臂的驱动机理进行分析,在新的微小尺寸驱动机理研究的椭圆运动的基础上,研制了串联弯曲臂压电微电机的样机,并且对样机的性能参数进行测试,转速可以达到110rpm,输出转矩可以达到22.5μNm.     

Novel precision piezoelectric step rotary actuator

A novel piezoelectric (PZT) precision step rotary actuator was developed on the basis of PZT technology. It adopts the principle of bionics and works with an inside anchoring/loosening of the stator and a distortion structure of the uniformly distributed thin flexible hinge to solve problems such as ineffective anchoring/loosening, low step rotary frequency, small travel, poor resolution, low speed and unsteady output. The developed actuator is characterized by high frequency (30 Hz), high speed (380 μrad/s), large travel (>270°), high resolution (1 μrad/step), and work stability. It greatly improves the ability to drive the existing PZT step rotary actuator. The new actuator can be applied in the field of micromanipulation and precision engineering, including precision driving and positioning and optics engineering. __________ Translated From Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2006, 36(5): 673–677 [译自: 吉林大学学报 (工学版)]     

压电双晶片的能量传输特性分析

基于压电双晶片的准静态本构方程,详细地分析了准静态情况下悬臂梁式双晶片执行器在常见的三种不同载荷(力、力矩、压力)情况下的机电转换特性,即有效机电耦合系数、最大能量传输系统、最大输出机械能量时效率.分析结果表明:这些特性主要由压电双晶片材料的横向机电耦合系数k31决定;三种载荷中,以力矩形式输出机械能时压电双晶片执行器的效率最高,以力的形式输出时稍低,以压力形式(如用于推动气体或液体)输出时效率最低.这些结论对于设计压电双晶片执行器的结构具有指导意义.     

基于铌酸锂制作光弹调制器用压电驱动器

基于石英(SiO2)制作光弹调制器(PEM)的压电驱动器时,存在机电耦合系数小、需高压驱动且谐振频率随温度漂移严重等缺陷,故本文研究了PEM的优化设计方法。考虑铌酸锂(LiNbO3)特殊的晶体结构,从理论上推导了LiNbO3晶片作为压电驱动器的可行性,并确定其切型为zyw/35°切。基于有限元分析软件COMSOL4.3a仿真,确定了晶片体积和谐振频率,设计了LiNbO3压电驱动器。对设计出的压电驱动器进行了压电性能测试,并和SiO2压电驱动器进行了比较。将LiNbO3压电驱动器和硒化锌(ZnSe)光弹晶体组合成PEM,用671nm激光进行了光弹调制实验。实验结果表明:实现相同位移时,SiO2压电驱动器需要的驱动电压是LiNbO3压电驱动器的100多倍,且后者横向长度伸缩振动模式单一性和稳定性均优于前者。驱动电压为3.76V时,671nm的激光通过基于LiNbO3压电驱动器的PEM的调制光程差为3.7μm。得到的结果表明:基于LiNbO3压电驱动器的PEM易于驱动控制,调制性能优于基于SiO2驱动器的PEM。     

一种仿生型无阀压电泵

针对传统的容积型流阻差式无阀压电泵具有吸入周期和排出周期,存在着流动脉动大、流量小的问题,提出一种新型的鱼鳍摆动式无阀压电泵。模仿在鱼类中巡游速度最快的金枪鱼的鱼体结构,设计了压电双晶片结构的压电振子,并将其尾鳍设计成柔性叶片状。分析了压电双晶片结构悬臂梁的受力变形、模态振型在机电转换效率方面的关系。研制了泵的样机并测量了激励电压在100 V时泵的流量。实验结果表明:振子工作在1阶振型时,泵水效应不明显;振子工作在2阶振型时,谐振频率为740 Hz,泵的流量为266 mL/min;振子工作在3阶振型时,谐振频率为1 280 Hz,泵的流量为105 mL/min。     

主动驱动/被动箝位型压电精密步进驱动器研究

提出一种基于直线动子主动驱动和定子被动箝位的新型的压电精密步进驱动器。该驱动器以仿生运动的原理，以压电陶瓷叠堆为动力源，采用双薄壁柔性铰链微变形结构，提高了该驱动器箝位的稳定性和步进旋转的稳定性。通过理论分析和实验研究，深入的揭示了该驱动器的运动特性。     

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。     

基于自抗扰重复控制的压电驱动器高精度跟踪控制

针对压电驱动器的高精度控制问题,提出一种自抗扰重复控制设计方法。首先,给出压电驱动系统的动力学模型;然后,在线性自抗扰控制(LADRC)中引入输出反馈积分控制器和一类插入式重复控制器,提出一种具有阶跃、斜坡和周期信号跟踪/抑制能力的自抗扰重复控制策略。进一步,结合小增益定理,分析闭环系统的稳定性及控制系统的设计方法。最后,将所提方法应用于一类压电驱动系统,实验结果表明该方法与LADRC相比,能显著提升控制效果,且高精度跟踪/抑制多种外部信号。     

积层式压电驱动器的有限元建模分析

该文利用有限元分析法对直动式压电伺服阀驱动元件-积层式压电驱动器的静、动态特性进行了深入的分析,建立了积层式压电驱动器多层压电结构的有限元模型,得到静态与动态工作的分析结果。理论分析的结果表明,积层式压电驱动器具有较大的输出位移与输出力,以及具有良好的动态响应特性,由其构造压电伺服阀,不会限制系统的频宽,结合合理的放大机构与阀体结构,有望达到高速、精密的伺服控制。     

MULTI-LAYER PIEZOELECTRIC ACTUATOR AND ITS APPLICATION IN CONTROLLABLE CONSTRAINED DAMPING TREATMENT

A kind of novel multi-layer piezoelectric actuator is proposed and integrated with control- lable constrained damping treatment to perform hybrid vibration control.The governing equation of the system is derived based on the constitutive equations of elastic,viscoelastic and piezoelectric materials,which shows that the magnitude of control force exerted by multi-layer piezoelectric actua- tor is the quadratic function of the number of piezoelectric laminates used but in direct proportion to control voltage.This means that the multi-layer actuator can produce greater actuating force than that by piezoelectric laminate actuator with the same area under the identical control voltage.The optimal location placement of the multi-layer piezoelectric actuator is also discussed.As an example,the hybrid vibration control of a cantilever rectangular thin-plate is numerically simulated and carried out experimentally.The simulated and experimental results validate the power of multi-layer piezoelectric actuator and indicate that the present hybrid damping technique can effectively suppress the low fre- quency modal vibration of the experimental thin-plate structure.     

基于旋转磁铁箝位的压电尺蠖驱动器理论与试验分析

为简化压电尺蠖驱动器信号控制系统并降低摩擦磨损,提出了一种基于旋转磁铁箝位的新型压电尺蠖驱动器。该驱动器利用直流电机带动永磁体转动实现交替箝位,通过激光对射传感器感知永磁体位置产生的激励信号来驱动压电叠堆实现精密直线位移输出。优化了驱动器结构的相关参数,制作了压电尺蠖驱动器样机并对其进行试验测试,结果表明：驱动器性能稳定,最小分辨率为0.119 μm,最高速度和最大载荷分别为481.43 μm/s、950 g。     

基于非对称夹持的压电旋转驱动器设计

设计了一种新型非对称夹持压电旋转驱动器。通过对称性电信号激励粘贴在基板上的压电晶片,使基板自由端带动质量块非对称地往复摆动,进而产生非对称的惯性驱动力,实现压电旋转驱动器的定向运动。研制了非对称压电惯性旋转驱动器样机,搭建了驱动器的测试系统,对驱动器步长、摩擦力矩、载荷特性等进行了测试。结果表明,驱动器在电压为15V、频率为10Hz、夹持差为3mm时,步长分辨率为1.82μrad,摩擦力矩为2.475N·mm条件下的最大输出载荷为0.122N。