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.     

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。     

二维纳米位移台测量系统的搭建和实验研究

研制了压电陶瓷(PZT)驱动叠加柔性铰链运动机构的二维纳米位移台。介绍了位移系统的结构并分析了位移系统的工作位移刚度,理论和仿真结果误差在6.3%以内。根据线性干涉仪原理构建了一套激光干涉测量系统,阐述了测量系统的布局及位移测试原理并测量纳米位移台行程及定位准确性。实验结果表明:位移台在100μm行程内,x轴和y轴的测试位移为99.6μm和97.7μm。同时分析了测试系统的误差来源并评估测量系统的不确定度,得到该测量系统x轴和y轴的合成标准不确定分别为10.04 nm和13.93 nm。     

四自由度压电微夹钳的结构设计及尺寸参数优化

为提高微夹钳操作微对象时的灵活性,探索四自由度压电微夹钳的实现问题,将制成相应形状并分割驱动电极的两片压电陶瓷晶片进行粘结,制作出微夹钳,并将两组空间垂直交叉的横向逆压电效应作用于钳指上,使单个钳指产生夹持方向和垂直于夹持方向的微位移,从而使整个微夹钳(两个钳指)具有4个自由度.在综合考虑微夹钳输出位移、固有频率、制作工艺的情况下,采用有限元分析方法,对钳指长度、宽度、厚度进行了优化,对优化后微夹钳的输出位移和振型进行了分析.对微夹钳的输出位移进行了测试,结果表明:在60 V的最高驱动电压作用下,左、右两钳指沿夹持方向的最大位移分别为25.6μm、24.3μm,沿垂直于夹持方向的最大位移分别为32.1μm、30.9μm;两钳指的输出位移具有良好的重复性.     

3-UPU柔顺并联机构构型拓扑优化设计与实验测试

目的为了设计出具有x,y和z方向纯平动的微纳级精密定位装置。方法首先,运用旋量与逆螺旋理验证所设计的传统3-UPU并联机构运动特性;采用封闭矢量映射原理构建3-UPU并联机构的微分Jacobian,实现各关节与动平台的空间映射关系。然后,定义优化问题的目标函数为结构刚度,约束函数为体积比,运动特性条件为微分Jacobian构造3-UPU柔顺并联机构的SIMP模型,并运用优化算法计算。最后,基于Ossmooth对优化构型进行CAD模型的提取,完成运动特性的力学仿真分析,此外,通过3D打印制造处理后的CAD模型,并完成运动特性的实验测试。结果仿真可得,优化后的构型柔度值从58.324 mm/N下降到25.993 mm/N;一阶固有频率从964.64 Hz提高到1362.26 Hz;沿x,y和z方向的微运动特性分别达到2.488,6.512,9.185μm;3-UPU柔顺并联机构优化构型的微运动特性与理论解处于同一微米级,并运用实验测试进行了验证。结论拓扑优化设计的构型具有微米级运动特性和微米定位精度,实验测试结果验证了该优化技术的可行性。     

HPLC法同时测定化妆品中多种生物还原剂

建立同时测定嫩肤-01(NF-01)中维生素C、绿原酸和咖啡酸等多个生物还原剂的HPLC测定法。采用ODS(4.6 mm×150 mm×5μm)为色谱柱,流动相A为甲醇,流动相B为0.1%磷酸,进行梯度洗脱(A相0 min→5 min,0→0;5 min→15 min,0→30%;15 min→30 min,30%→30%);检测波长为290 nm;流量为1 m L/min。维生素C、绿原酸和咖啡酸在质量浓度43.5~636.0μg/m L,4.2~66.4μg/m L和4.3~68.8μg/m L内线性关系良好(线性方程分别为y=2 871.4x+1 221.7,r=0.999 5;y=45 240x+1 089.5,r=0.999 4和y=103 271x+41 823,r=0.999 9);连续3周考察溶液的稳定性,3个组份在1 d内稳定,在6 d内基本稳定,在3周后出现较明显的变化。所建立的HPLC法能同时分离并定量该护肤品中极性差异较大的3种生物还原剂,可用于化妆品中类似配方的质量控制。     

基于分形理论的结合面法向接触刚度模型

基于修正的分形理论,以尺度系数定义微凸体大小,在充分考虑微凸体接触变形过程的基础上,对赫兹接触模型进行补偿修正。建立了结合面法向接触刚度模型,研究了法向接触刚度与分形维度之间的关系,并进行了仿真;以螺栓结合面为实验对象,采用结构函数法获取分形参数,进而求出结合面法向接触刚度值并录入有限元模型,在此基础上应用m+p噪声振动测试系统开展模态实验,通过对比理论模态与实验模态的振型和固有频率来验证理论模型的正确性。实验和仿真结果表明:理论模型和实验模型前8阶模态的振型一致,前8阶固有频率误差在-10.2%～-1%。     

一种压电致动微夹钳及其开环位移特性

微夹钳是微装配与微操作过程中直接与被操作对象相接触的末端执行器,对微装配与微操作任务的完成起着决定性作用．介绍了一种采用压电致动的微夹钳的工作原理、结构组成及实验原型,该微夹钳采用一种基于双边和单边直圆柔性铰链的单片柔顺机构实现微位移传递／放大功能,同时实现微夹钳夹爪平行移动．针对本文研究和开发的一种微夹钳的原型建立了实验装置并进行了开环位移特性测试．实验结果表明,微夹钳的夹爪能够实现平行移动,夹爪的输出位移与输入位移呈线性关系,且微夹钳单边夹爪输出位移最大可达150μm．     

柔性对称微位移放大机构的分析与仿真

柔性铰链微位移放大机构在精密机械中的应用日益广泛.依据卡氏第二定理,采用基于柔度的静力学分析方法对柔性机构的运动特性进行分析,给出了机构中任意节点处位移的计算式.在此基础上,对柔性对称微位移放大机构进行了分析,建立了微位移放大机构输入、输出位移及其放大比求解的数学模型.利用所建立的模型,采用MATLAB编程对柔性对称微...     

基于真空吸附的微器件受力分析研究

微装配的对象主要是微米级或亚毫米级尺寸的微器件,这些微器件的轻、小、薄、软的特征对微夹持器的夹持方式和夹持力的控制提出了非常严格的要求和限制。本文针对平板类微器件设计了一种真空吸附式微夹持系统,不仅可以吸附不同形状和尺寸的零件,而且可以实现零件位姿的调整和接触力的检测。在只考虑范德华力的情况下,本文重点建立了微器件的吸附力学模型,为实现稳定吸附与释放提供了计算依据。最后完成了精度要求为平行度误差不大于8μm的微组件装配实验,装配效果良好。     

单级柔顺正交位移放大机构非线性建模与优化

同时实现操作的灵活性与稳定性是精密工程领域的研究热点。单级柔顺正交位移放大机构可通过正交位移转换实现平行夹持,并通过位移放大提高操作的灵活性,但该机构的传统建模方法主要基于小变形假定并忽略剪切作用,导致模型精度较低。为此,对典型的单力输入单级柔顺正交位移放大机构进行精确的非线性建模与优化。考虑到剪切作用与几何非线性因素,对单级柔顺正交位移放大机构输出位移进行两步法半解析建模,以实现非线性结果的快速预测。第1步,基于能量法与欧拉-伯努利梁理论,建立该机构输出位移的线弹性解析模型,并结合小变形静力学有限元分析,拟合剪切非线性修正系数;第2步,结合几何非线性静力学有限元分析与数值拟合,建立该机构输出位移的几何非线性修正系数模型。为最大化输出位移并抑制几何非线性作用,提出机构平面尺寸和厚度综合优化策略,并利用ANSYS Workbench有限元仿真验证了机构输出位移非线性模型与优化结果的有效性。仿真结果显示,机构输出位移非线性模型的误差小于5%,且可依据不同优化策略显著增大输出位移或将几何非线性程度约束于指定范围内。研究表明利用所提出的方法对单级柔顺正交位移放大机构进行非线性建模与优化,可有效提高压电驱动柔顺微夹钳的位移输出性能与开环控制的精度和实时性,有利于实现稳定灵活的微操作。     

刚体面内位移激光散斑测量研究

运用散斑统计理论,结合数字图像处理技术,设计了一套激光散斑测量刚体面内微小位移的实验系统,再利用刚体位移前后的散斑图像的互相关性,实现了刚体面内的位移测量.测量结果表明,针对刚体面内小于300μm的微小位移,x轴和y轴的绝对位移误差为±14μm,相对误差为±6.25%左右.     

2-UPR-SPR并联机构的刚度与谐响应分析

目的针对一种两转一移三自由度封装并联机构2-RPU-SPR自动化包装过程中高工作精度的特殊应用要求,运用有限元法对其进行刚度与谐响应分析,从而研究机构的刚度和抗振性能。方法运用Solid Works建立三维实体模型,然后导入Ansys Workbench软件进行分析。结果得到机构在外力作用下3种不同姿态的位移变形云图,并通过模态分析,得知2-RPU-SPR并联机构1—6阶固有频率分别为130.39,133.42,218.35,760.36,768.07,776.96 Hz,以及各阶频率下的振型。在此基础上进行谐响应分析,得出动平台在x,y,z轴方向的位移响应曲线。结论找出了机构刚度的薄弱部位,得出了刚度随位姿变化的规律;通过谐响应分析验证了该并联机构的抗振性能,得出机构应避免的敏感频率,这为该封装并联机构的进一步动态设计与优化奠定了基础。     

高速机构用夹芯复合材料横板模态试验分析

针对高速机构用结构复合材料的动态性能问题,以高速织机用夹芯结构复合材料横板和碳铝横板为研究对象,在自由约束状态下,利用模态试验方法,分别沿设定的x和y方向激振,对其进行测试研究。结果表明:沿x和y方向激振时,与碳铝横板相比,夹芯结构复合材料横板对应阶数的固有频率测得值普遍较高,且沿x方向激振时,横板的固有频率测得值与其长度有很大关系。     

一种应变式超低频微振动测试台

为了测试卫星太阳翼驱动机构低频、超低频区由机电耦合产生的微振动,发明了一种应变式超低频微振动六分量测试台,该测试台低频响应特性好,安装接口灵活。介绍该测试台的工作原理和动态标定方法,并对该测试台进行了线性度检验、固有频率测试以及动态测试误差检验。通过线性度检验可得:在100 N范围内的外力作用下,组成该测试台的八个双孔梁应变式力传感器的线性度相对误差在±3.4%以内;通过固有频率测试可得:该测试台在100 Hz内没有固有频率,不会通过结构耦合对被测微振动信号进行调制;通过动态测试误差检验可得:在频域上0~100 Hz范围内,该测试台对六个分量动态测试的相对误差在±9.6%以内,同时还可以得出该测试台对三个力分量和三个力矩分量的测试分辨率分别可达到0.01 N和0.001 N·m。     

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。     

反射式光纤微位移传感器

本文主要介绍了反射式光纤微位移传感器,并搭建测试光路,完成了实验测量,确定了测试范围和测量精度。实验表明,对单模光纤,在0～62μm位移范围内,光功率变化较大;当超出该范围,光功率变化较小。对多模光纤,在0～224μm位移范围内,光功率变化比较大;当超出该范围,光功率变化缓慢。二者最小位移测量精度均可达到0．05μm。     

Mg~(2+)浓度对Ca_xMg_y(VO_4)_n∶Eu~(3+)发光性能的影响

采用燃烧法按钙镁比x/y分别为10/0、9/1、8/2、7/3、6/4、5/5合成了CaxMgy(VO4)n∶Eu3+荧光粉。利用XRD测试了样品的相组成,结果表明,当x/y>8/2时样品以Ca3(VO4)2为主晶相,当x/y=8/2时样品中开始出现Ca5Mg4(VO4)6相。利用荧光分光光度计测试了样品的荧光光谱,结果表明,当x/y>8/2时样品表现为615nm的锐线发射,当x/y<8/2时样品表现为615nm的锐线发射和400~600nm之间的宽带发射,发光颜色随x/y从10/0到5/5由红色向黄绿色变化。     

平面阻尼型欠驱动夹持器的多模式参数优化设计

欠驱动夹持器具有良好的自适应特性,广泛应用于机器人领域。针对欠驱动夹持器工作模式较多而导致参数优化困难的问题,以典型的平面阻尼型欠驱动夹持器为研究对象,提出一种夹持器多模式参数优化设计方法。所研究的夹持器有2种工作模式,分别为两点夹持与包络夹持。首先,对夹持器各工作模式进行静力学分析,建立输出夹持力与输入扭矩的解析关系,并引入外部约束法解决包络夹持静平衡位置较难确定的问题;然后,对各工作模式进行夹持力优化,以获得最优结构参数,并分析优化方向的共性;最后,通过ADAMS仿真验证了优化结果的正确性。结果表明：2种工作模式的优化方向相同且优化效果明显。本研究为多工作模式欠驱动夹持器的优化设计提供了参考方法。     

微/纳米传动平台的模态试验及优化设计

微/纳米传动平台中,柔性机构的弹性势必导致平台高速、高加速带来的残余振动。采用拉格朗日方法,建立了平台的动力学模型,得到了平台前5阶固有频率的解析式;分析了平台固有频率与柔性板簧厚度、长度的相互关系,得到了固有频率随柔性板簧厚度、长度的变化规律。应用有限元方法,分别仿真得到了前6阶固有频率和模态阵型;以固有频率为优化目标,建立了平台的优化模型。采用动态测试系统,分别对优化前、后的平台进行了模态试验分析;通过对比分析,得到了提高平台动态性能的方法,且模态试验结果表明,调整柔性板簧厚度、长度的方法是有效的、可行的。