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。     

悬臂式压电双晶片振子夹持长度变化对其动态特性的影响

以惯性压电驱动器的关键部件——悬臂式压电双晶片振子为研究对象,探讨了悬臂式压电双晶片振子的夹持长度变化对其动态特性的影响规律。首先,建立了悬臂式压电双晶片振子静态参数方程和动力学模型。然后,应用matlab软件仿真分析了夹持长度变化对悬臂式压电双晶片振子的端部位移幅值和惯性加速度幅值的影响。最后,分别测试了悬臂式压电双晶片振子在不同夹持长度下的端部位移幅值以及惯性加速度幅值。结果显示:驱动电压为10V,频率为11Hz,悬臂式压电双晶片振子的夹持长度在9~20mm内变化时,其端部位移幅值最大为66.2μm,产生的惯性加速度幅值最大为10.2ms-2。仿真和试验结果表明:激励电场相同时,随着悬臂式压电双晶片振子的夹持长度增大,其端部位移幅值会变小,而其产生的惯性加速度会变大。     

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。     

压电薄膜型精密运动平台研究

提出了一种利用双压电晶片驱动小型平台的研究方案,该平台可实现水平面内的两自由度精密运动.在对粘滑型运动机构的工作原理进行分析的基础上,建立了压电式粘滑机构的动力学模型并进行了仿真分析,设计研制了试验样机,并从运动性能和承载能力两个方面对样机进行了实验研究.实验结果表明,设计的压电薄膜型精密运动平台结构简单、体积小、质量轻、步距稳定且行程大,电压低于30 V驱动时,步距误差不超过0.5μm,承载能力约为自身质量的7～8倍.     

一种旋转压电陶瓷驱动器的设计和研究

为发挥压电陶瓷分辨率高、频响高、功耗低及抗电磁干扰能力强等优点,进一步简化压电旋转驱动器的结构,提高压电驱动工作效率,设计和研制一种新型压电旋转驱动器。驱动器以压电陶瓷双晶片为原动件,通过联接机构联接定子和转子,选用滚子结构的超越离合器驱动机构,将双晶片扭转位移运动转化为输出轴的连续旋转运动。驱动器结构简单,体积小。通过理论分析、有限元仿真和试验研究表明,驱动器的转速与驱动信号的频率、电压近似呈线性关系,具有良好的输出特性,步进精确,运行平稳可靠,适于在微驱动领域应用。     

非对称夹持惯性压电旋转驱动器

以惯性压电旋转驱动器为研究对象,提出一种新型非对称夹持惯性压电旋转驱动器的研究方案。该驱动器以压电双晶片振子为驱动元件,采用对称方波电信号为激励信号。通过特殊设计的非对称夹持结构,惯性压电旋转驱动器可产生明显的惯性驱动力差,实现单向旋转动运动。建立基于Lugre摩擦模型的压电旋转驱动器动力学仿真模型,对压电旋转驱动器动态特性进行仿真分析,进一步设计研制非对称夹持惯性压电旋转驱动器样机,进行试验研究,试验证明研制的样机可以实现大行程(360°)、高分辨率(2μrad)、高旋转步长(146.36μrad)的稳定转动。仿真分析和试验研究结果吻合较好,表明研制的非对称夹持惯性压电旋转驱动器具有定向驱动作用。     

压电惯性驱动器惯性冲击力的分析与检测

由于惯性冲击力是压电惯性驱动器产生运动的关键,故本文探讨了方波激励下压电振子的惯性冲击力大小。推导了压电双晶片振子在方波激励下的冲击响应,分析了惯性冲击力的时域特性和幅频特性,分析得到方波激励下惯性冲击力信号频率主要集中在0~500Hz。采用加速度传感器初步测试了压电双晶片振子的加速度参数,测试结果与理论模型相近。结合压电双晶片振子的端部惯性质量计算得到惯性冲击力的数值,利用快速傅里叶算法获得了加速度参数的幅频特性。最后,采用摩擦学的方法对惯性冲击力的数值进行了验证,验证结果表明两种方法的最大相对误差为8.98%,表明加速度传感器测试惯性冲击力是可行的。     

新型压电旋转驱动器的设计与试验研究

为简化压电旋转驱动器的结构,提高能量使用效率,设计和研制一种新型压电旋转驱动器。驱动器采用压电双晶片作为原动件,经运动转换机构将其弯曲变形转化为扭转运动,再通过双离合器的耦合传动将扭转运动转化为旋转运动。使用有限元仿真分析方法和试验对驱动器的物理性能进行深入的研究,测得驱动器的关键参数。针对该驱动器的有限元仿真分析和试验研究表明,压电旋转驱动器的转速与驱动信号的频率、电压近似呈线性关系,驱动器具有一定的承载能力。对试验结果与有限元仿真分析结果进行误差分析,找出产生误差的原因,为驱动器的进一步优化设计提供了参考。研究证明了该压电旋转驱动器设计方法的可行性,使用该方法可以制作出结构简单,体积小,适合在微驱动领域中应用的压电旋转驱动器。     

压电驱动式振动给料器的设计与试验

为了实现对轻、薄、小产品的平稳输送,利用圆形压电双晶片作为振动给料器的动力源,Z型弹簧片作为主振弹簧,并基于系统共振方法设计了新型压电驱动式振动给料器。介绍了圆形压电双晶片驱动式振动给料器的工作原理,建立了动力学模型,获得了系统固有频率表达式;分析了压电双晶片的振动模态,确定了一阶振型为工作振型。研制了振动给料器样机,利用样机测试了电压、频率与送料速度的特性曲线以及主振弹簧片角度对送料速度、送料稳定性、送料噪声的影响规律。试验结果表明:电压为150V,频率为142Hz时,输送电池帽的速度为8.5battery cap/s;频率为136～148Hz时,系统具备输送物料的能力,共振条件下(142Hz)输送速度最快;随着电压的升高,输送速度呈线性增加;输送的单体物料质量增加时,主振弹簧片安装角度宜变小。     

舰炮后坐力试验装置强冲击特性仿真分析

介绍了舰船后坐力试验装置的工作原理,分析了试验装置冲击过程的动力学特征及缓冲器内部超高压力的工作特性。应用动力学仿真软件ADAMS,建立了该装置的动力学模型。针对缓冲器内部超高压力的工作特性,利用多学科仿真软件AMESim所具有完善的气动学仿真功能,求解了缓冲器内部超高压力与压缩位移之间的对应关系,完善了试验装置的动力学模型。最后,对缓冲器的冲击特性进行了仿真分析及试验测试,缓冲器内部超高压力的实测数据与仿真数据吻合程度良好,验证了所建立的动力学模型的正确性,为试验装置冲击特性的参数设置打下了良好的基础。     

水平椭球气囊动力学近似模型建模及仿真

以水平椭球形气囊为对象,研究了该类气囊的仿真分析方法。首先从振动方程出发,建立了水平椭球形气囊的动力学近似模型,给出了相应的分析方法;然后采用有限元仿真分析技术,与近似模型的仿真结果进行了对比,并基于近似模型研究了气囊织物弹性对缓冲特性的影响。研究结果表明,在考虑了织物弹性的近似模型能够较好地反映该类气囊的着陆缓冲特性,相比有限元模型,可以兼顾分析精度和效率。     

蓄能器在带式输送机张紧装置中的应用

带式输送机在起动时往往伴随着胶带应力波动而产生动张力,给张紧装置带来冲击。研究蓄能器在张紧装置中如何更好地吸收冲击,建立了系统的数学模型,并通过Matlab仿真得到系统的阶跃响应曲线。根据仿真结果,分析了系统的动态特性并就蓄能器的容积和管路长度提出改进意见。     

确定性激励时多阻尼介质耦合型非线性隔振器传递率特性研究

基于抗大冲击并衰减振动的工程应用要求，提出一种多阻尼介质耦合型非线性隔振器的数学模型，该模型考虑了平方阻尼、线性阻尼、库伦阻尼及非线性弹性元件的耦合；通过无量纲变换结合傅里叶变换和谐波平衡法对模型进行了理论上近似求解；具体讨论了非线性共振前的低频减振特性，这些特性的呈现可能还与具体器件的其他初始物理条件有关，其应用和控制有待于进一步器件模拟和机理研究。     

气体动压径向短轴承动力学和分岔分析

径向气体润滑轴承是精确定位以及微旋转机械中的重要部件,其非线性动力学特性对整个器件的稳定性和可靠性具有重要的影响。文中以气体动压径向短轴承—转子系统为研究对象,建立气体轴承—转子系统耦合非线性动力学方程,以轴承数为分岔参数,分析长径比为0.75时在不同初始偏心率条件下,系统动力学特性随转子转速变化的影响。     

表面电机的二级定位系统

对表面电机的原理和力学特性进行了研究，提出了提供定位精度的二级定位系统——粗糙定位和精密定位。粗糙定位使系统运行速度加快，精密定位使系统的定位精度提高。仿真结果表明，二级定位系统可以使电机提高速度和精度性能，同时系统的鲁棒性也得到提高。     

面向MEMS制造的高速精密定位平台的动力学仿真和结构设计

基于音圈电动机直驱,提出一种采用新型弹性解耦机构的2自由度笛卡儿坐标高速高精度定位平台。该平台将电动机放置在基座上,使运动惯量大大减小,从而使实现定位平台的高速高精密运动成为可能。阐述了该定位平台的弹性解耦原理,采用有限元分析与机械系统动态仿真相结合的方法,对定位平台的高速动力学行为进行研究。通过机构的刚体和弹性动力学分析,基于定位平台的动态响应,对弹性解耦机构中的关键部件——弹簧,进行动态优化设计。详尽地探讨了铰链弹性对弹簧刚度和预载选配的影响,以及弹簧刚度和预载对定位平台运动的影响规律,并给出弹簧刚度和预载的匹配曲线,从而为该类制造装备的动力学设计和样机建造奠定了重要理论基础。精度试验表明,该高速精密定位平台的各项指标均达到了设计要求,证明了设计理论的正确性。     

大型汽轮发电机定子端部绕组的动态仿真模型

将定端的园锥型编织网壳及支承简化为连续锥壳—板组合结构,分别建立具有各向同性、正交各向异性和各向异性体材质的定端结构的参数化动态仿真模型,根据实际结构的试验模态参数,运用结构动力学优化方法,在ANSYS平台上进行了仿真研究,获得了较为精确的定端实际结构的动态仿真模型。对定端支承板系统进行了动态优化设计,获得了较为满意的结果。     

在轨替换单元杆锥式三维碰撞动力学行为

为研究在轨替换单元与目标航天器定位导向过程中的接触碰撞动力学行为,以配备有杆-锥式定位导向结构的目标航天器与在轨替换单元(ORU)为研究对象,考虑定位导向机构的结构特点与实际定位过程的位姿状况,建立了航天器与ORU定位导向过程的三维碰撞动力学模型(NE-CR-LN三维接触动力学模型),并推导了三维空间中锥-杆间碰撞检测方程。该模型应用矢量分析方法,考虑锥-杆导向系统的自身特点将其划分出四种不同的接触工况。通过将模型数值结果同LS-DYNA仿真结果及文献模型进行对比分析,验证了NE-CR-LN动力学模型的正确性。针对ORU的定位要求,进行典型定位导向工况下的接触碰撞仿真及试验分析,导向仿真过程和动态分析结果表明,NE-CR-LN三维接触动力学模型可以在一定条件下模拟实际接触碰撞过程。     

工程船锚泊动力定位系统设计与仿真分析

工程船舶通常需要通过定位操作来完成特定的作业。锚泊定位与动力定位是目前船舶海上定位操作过程中应用最为广泛的定位技术。锚泊定位系统由于具有结构简单、造价低廉等优点而被大量采用。但该系统受外界环境影响较大,定位精度较差,缺乏主动性和灵活性,因此在锚泊系统中增加辅助推进器以构成锚泊动力定位系统能够实现主动定位操作,提高了定位精度。针对某双体工程船锚泊动力定位系统的结构总体设计问题,给出了系统组成方案,并应用模型试验和经验公式对该系统在风、浪、流等环境载荷作用下的响应情况进行了仿真分析,通过仿真结果能够对系统方案进行验证,并指导最终实船样机的制造与调试。