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0.119μm,最高速度和最大载荷分别为481.43μm/s、950 g。     

压电旋转驱动器制作及性能测试

提出了通过控制正压力来改变摩擦力的方案,进而研制了一种以压电叠堆为动力转换元件的新型压电旋转驱动器。采用两个驱动用压电叠堆对称布置的方式设计了该旋转驱动器结构,探讨了旋转驱动器运动机理,制作了压电旋转驱动器试验样机并对其进行了试验测试。试验结果表明,该驱动器输出步长线性度较好,当驱动电压为10 V、频率为2 Hz时,驱动器旋转步长为20 μrad。分析了驱动器输出稳定性,针对存在的问题提出通过施加控制系统来有效提高不同起始位置驱动器的运动稳定性。对试验结果进行误差分析,找出了产生误差的原因,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,利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驱动器。     

杠杆式尺蠖压电直线驱动器

设计了一种基于尺蠖运动原理的压电直线驱动器,用于解决光学领域中的精密定位问题。该驱动器采用了对称杠杆式位移放大机构,在保证钳紧力的同时,可以获得较大的驱动位移。阐述了尺蠖式压电驱动器的工作原理,对杠杆式柔性放大机构的位移损失、压电陶瓷与柔性机构的耦合特性及箝位机构与中间驱动机构的刚度进行了分析。利用有限元软件Ansys对钳位机构和驱动机构的变形、应力、输出位移和固有频率等参数进行了仿真分析。最后,搭建了实验平台,测试了驱动器的各项性能。测试结果显示,该驱动器的行程为±25mm,钳紧力为17N,承载力为11N,最大和最小步距分别为55μm和60nm。当驱动电压为150V时,驱动器的最高驱动速度为1.259mm/s。得到的性能指标满足光学领域精密定位需要。     

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。     

尺蠖型压电直线驱动器的动态特性

分析了尺蠖型压电直线驱动器的结构原理,建立了驱动器系统动力学模型。对驱动器定子进行了模态分析,并对分析结果进行了评价。对设计开发的驱动器样机输出特性进行了试验测试,实验测得驱动器单步输出位移稳定可靠,100 V驱动电压下,单步输出位移为9.8 μm。对驱动器直线动子的速度、加速度特性进行了测试,依据速度、加速度信号进一步分析了驱动器的动态响应特性。实验结果表明,所开发的驱动器具有动态特性好、运动稳定等优点。     

压电陶瓷微位移驱动器建模与控制

考虑利用白光干涉仪进行表面三维形貌测量时压电陶瓷(PZT)的蠕变效应对微位移驱动器位移精度的影响,提出了一种沿参考镜光轴方向提高该驱动器位移精度的方法.系统研究了该驱动器的位移检测回路、PID闭环控制以及蠕变补偿控制;利用光电位置传感器和光学杠杆调节位移检测回路,将压电陶瓷驱动器微位移反馈至控制系统,建立PID闭环控制.充分考虑了PZT蠕变特性对测量过程的影响,建立了"电压蠕变"补偿模型,实现了基于PID闭环控制与蠕变补偿控制相结合的复合控制方法.利用XL-80激光干涉仪测量压电陶瓷驱动器在PID闭环控制和复合控制二种情况下的微位移,实验结果显示前者位移误差为0.007 μm,后者位移误差为0.005 μm.结果表明该方法可有效克服压电陶瓷迟滞非线性和蠕变对测量结果的影响,满足表面三维形貌测量的高精度要求.     

面向结构形状控制的驱动器结构参数与控制电压协同优化设计

飞机翼面结构形状的控制设计是提高飞机性能的关键技术。本文以压电纤维复合薄膜（Microfiber Composite,MFC）为驱动器,研究了协同优化设计MFC驱动器结构参数与控制电压以使飞机翼面结构具有理想形状的方法。以MFC的电极宽度、电极指间距、MFC厚度、压电陶瓷体积分数等驱动器结构参数以及控制电压为设计变量,以控制偏差最小为优化目标,以驱动器的击穿电压为约束,建立了驱动器结构参数与控制电压协同优化设计的模型;通过分析MFC驱动器结构参数对驱动性能的影响,给出了最优的驱动器结构参数;针对类似机翼翼面形状的平板扭转型面,给出了驱动器结构参数与控制电压协同的最优控制设计。设计结果表明：对于扭转变形,多个不同控制电压控制的型面均方差是相同控制电压控制均方差的45%,分析结果验证了本文所建立的协同优化设计方法的有效性。     

压电陶瓷驱动的线性尺蠖驱动器设计与仿真

为了实现纳米操作中的精确定位,提出了一种压电陶瓷驱动的线性尺蠖驱动器。这个驱动器主要由1个柔性机构和3个压电陶瓷构成,其中一个压电陶瓷用来提供驱动力,另外两个用来交替夹紧线性导轨以用来实现尺蠖运动。建立了反映该尺蠖电机运动特性的理论模型,通过有限元仿真评估驱动器的性能和验证模型的有效性,研究了柔性机构的变形行为和相应的最大应力。     

大行程纳米级步距压电电动机

介绍了一种基于尺蠖运动原理的大行程纳米级步距压电电动机。在结构设计方面,变传统单驱动器结构为双驱动器结构,采用新颖的推—拉接力运动原理,配以适当的四路驱动信号,实现了压电电动机的连续匀速运动。通过试验对电动机的性能进行了测试,结果表明：电动机的运动位移是线性的,运动速度在驱动电压为300 V时可达12 mm/s,最小步距小于6 nm,行程大于10 mm。     

压电陶瓷驱动系统及控制方法研究

给出了一种压电陶瓷驱动系统的控制方法,利用VB中的Timer控件和压电陶瓷电源的DLL动态连接库函数,实现了控制电压的实时可编程输出。针对压电陶瓷驱动器的非线性和迟滞特性,应用MATLAB分别拟合出压电陶瓷驱动器在往返行程中电压与位移值的多项式拟合曲线,得到了电压与位移的关系式,为进一步修正和减少非线性及迟滞误差的影响、提高系统的定位精度,提供了分析的依据。     

非共振式压电直线电机精密驱动及定位控制

为实现光机结构、集成电路等领域中大行程及高精度的位移控制,利用较为适用的非共振式尺蠖型压电直线电机,基于高压功率运算放大器,设计了非共振式压电直线电机的精密复合放大驱动电路,通过理论分析及实验得到的伯德图验证了驱动电路的分辨率和幅频特性。以现场可编程门阵列(FPGA)为核心处理器,以光栅尺为反馈元件,通过分析非共振式压电直线电机的多种运行模式,根据直线电机的运行时序,设计完成了开环大范围整步运行模式与闭环小范围单步运行模式相结合的控制策略,在单步运行模式中分别设计完成了PID控制算法及PID与压电陶瓷迟滞逆模型前馈相结合的复合控制算法。实验结果表明,该控制策略能够实现大行程内的精密位移控制,复合控制算法具有比PID更加优越的控制效果,能够在21mm大行程内实现1.5nm的闭环定位控制精度,直线电机的最大驱动力可达300N,满足大行程高精度位移控制的应用需求。     

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.     

Novel linear piezoelectric motor for precision position stage

Conventional servomotor and stepping motor face challenges in nanometer positioning stages due to the complex structure, motion transformation mechanism, and slow dynamic response, especially directly driven by linear motor. A new butterfly-shaped linear piezoelectric motor for linear motion is presented. A two-degree precision position stage driven by the proposed linear ultrasonic motor possesses a simple and compact configuration, which makes the system obtain shorter driving chain. Firstly, the working principle of the linear ultrasonic motor is analyzed. The oscillation orbits of two driving feet on the stator are produced successively by using the anti-symmetric and symmetric vibration modes of the piezoelectric composite structure, and the slider pressed on the driving feet can be propelled twice in only one vibration cycle. Then with the derivation of the dynamic equation of the piezoelectric actuator and transient response model, start-upstart-up and settling state characteristics of the proposed linear actuator is investigated theoretically and experimentally, and is applicable to evaluate step resolution of the precision platform driven by the actuator. Moreover the structure of the two-degree position stage system is described and a special precision displacement measurement system is built. Finally, the characteristics of the two-degree position stage are studied. In the closed-loop condition the positioning accuracy of plus or minus 0.5 μm is experimentally obtained for the stage propelled by the piezoelectric motor. A precision position stage based the proposed butterfly-shaped linear piezoelectric is theoretically and experimentally investigated.     

Pneumatic actuating device with nanopositioning ability utilizing PZT impact force coupled with differential pressure

This paper reports a new actuating method using piezoelectric (PZT) impact force coupled with differential pressure for the pneumatic positioning device. Fundamental experiments show that the sliding table can be actuated to move with precise step motions in both the forward and backward directions based on the proposed method. A two degree-of-freedom (DOF) analytic model is established and verified for expressing the impact actuation. Furthermore, a pulse width, which is equal to the period of second-mode vibration of the actuating device, is experimentally examined for the actuation of PZT actuator. Finally, position control based on a hybrid controller is implemented. The experimental result shows that the sliding table is successfully positioned from the reference origin to the target position of 4 mm in 0.924 s with the positioning accuracy of 5 μm due to the actuation of the pneumatic cylinder, and that the final positioning accuracy of 10 nm is obtained by the actuation of PZT impact force coupled with differential pressure. The total control time is 2.683 s. It is shown that the proposed method is capable of significantly improving the positioning performance of the pneumatic actuating device. It is expected that the proposed method will be widely applied in the precision industry using pneumatic cylinders.     

基于ILC的压电微位移驱动器电源线性化研究

压电微位移驱动器是一种利用压电材料逆压电效应制作的微位移器 ,具有体积小 ,分辨率高 ,重复性好 ,不产生热等优点 ,然而压电驱动器也具有滞回、蠕变、严重的非线性等不良特性 ,给驱动器精确定位带来误差 ,使驱动器电压位移转换信号失真。为使压电驱动器输入输出具有线性度 ,常用的方法是对驱动电源进行电压补偿来实现线性化。这里提出一种实用新颖的电源线性化方法—基于迭代自学习控制 (IL C)策略的线性化方法 ,该法具有在线、快速的优点 ,且可实现动态线性化补偿     

压电型喷嘴挡板阀及其控制方法研究

提出了一种新型压电晶片型喷嘴挡板式电液伺服阀,并对其控制方法进行了研究。采用成本较低的双压电晶片弯曲元件设计了双喷嘴挡板放大器,用其取代原有传统的力矩马达作为双喷嘴电液伺服阀的前置级驱动器。介绍了新型压电晶片型喷嘴挡板式电液伺服阀的工作原理。最后,针对压电元件存在的迟滞、蠕变非线性及系统中存在的时变性因素等问题,采用了具有自学习、自适应和自组织能力的单神经元自适应PSD智能控制算法对系统进行控制。实验结果表明,采用PID控制算法时系统阶跃响应的超调量和稳态时间分别为27.9%和0.13 s,而采用提出的控制算法时系统阶跃响应的超调量和稳态时间只有2.4%和0.07 s,验证了该方法的有效性。新型压电晶片型喷嘴挡板式电液伺服阀结构简单、成本低、精度高,可以满足精密控制系统的要求。     

基于压电驱动的细胞微量注射装置的研究

提出了由压电驱动带动的注射微动平台和电机带动的细胞微载台来构成细胞药物微量注射的机械结构与控制系统。而且也提出了利用压电陶瓷的微位移特性构造了和目前的微量注射针完全不同的微量注射针结构与控制系统,这个压电微量注射针的驱动和注射动作全部由压电驱动器来完成;利用压电陶瓷的微位移和施加在压电陶瓷上的电压在微小位移情况下的线性关系实现了细胞注射系统的精确微定量注射。     

Design and performance evaluation of a 3-DOF mobile microrobot for micromanipulation

In this paper, a compact 3-DOF mobile microrobot with sub-micron resolution is presented. It has many outstanding features: it is as small as a coin ; its precision is of sub-micrometer resolution on the plane; it has an unlimited travel range; and it has simple and compact mechanisms and structures which can be realized at low cost. With the impact actuating mechanism, this system enable both fast coarse motion and highly precise fine motion with a pulse wave input voltage controlled. The 1-DOF impact actuating mechanism is modeled by taking into consideration the friction between the piezoelectric actuator and base. This modeling technique is extended to simulate the motion of the 3-DOF mobile robot. In addition, experiments are conducted to verify that the simulations accurately represent the real system. The modeling and simulation results will be used to design the model-based controller for the target system. The developed system can be used as a robotic positioning device in the micromanipulation system that determines the position of micro-sized components or particles in a small space, or assemble them in the mesoscale structure.     

基于压电陶瓷的新型尺蠖式微位移器的设计

利用压电陶瓷的逆压电效应,基于尺蠖运动原理设计了一种高精度定位的微位移器。本文详细介绍了这种新型尺蠖式微位移器的设计过程。针对当前压电陶瓷驱动电源不能将断电后的压电陶瓷中的电荷放出的缺点,本文所设计的新型放电电路使其放电时间达到毫秒级。通过加入这个放电电路,压电陶瓷将能更快的恢复原形,提高了压电陶瓷的运动精确性。