Development of XY scanner with minimized coupling motions for high-speed atomic force microscope

The design and fabrication processes of a novel scanner with minimized coupling motions for a high-speed atomic force microscope (AFM) were addressed. An appropriate design modification was proposed through the analyses of the dynamic characteristics of existing linear motion stages using a dynamic analysis program, Recurdyn. Because the scanning speed of each direction may differ, the linear motion stage for a high-speed scanner was designed to have different resonance frequencies for the modes, with one dominant displacement in the desired directions. This objective was achieved by using one-direction flexure mechanisms for each direction and mounting one stage for fast motion on the other stage for slow motion. This unsymmetrical configuration separated the frequencies of two vibration modes with one dominant displacement in each desired direction, and hence suppressed the coupling between motions in two directions. A pair of actuators was used for each axis to decrease the crosstalk between the two motions and give a sufficient force to actuate the slow motion stage, which carried the fast motion stage. A lossy material, such as grease, was inserted into the flexure hinge to suppress vibration problems that occurred when using an input triangular waveform. With these design modifications and the vibration suppression method, a novel scanner with a scanning speed greater than 20 Hz is achieved.     

水下超高速航行体的动力学建模及控制问题研究

水下超高速航行体的全部或大部分表面被空泡包裹,只有小部分与水接触.空泡的包裹一方面使航行体的阻力显著降低以达到高速航行的目的,另一方面又改变了航行体所受流体动力及其力矩的平衡方式,给超高速水下航行体的建模和控制带来了很大难度.该文采用空化器和尾部控制面联合控制方法,建立了水下超高速航行体纵向运动的动力学及控制模型.利用鲁棒性极点配置算法设计控制器并对该系统进行了仿真分析.分析结果表明,该控制方法能够明显改善超高速航行体系统的动态稳定性和可控品质,为进一步研究水下超高速航行体的动力学控制问题提供了一定的理论依据.     

动力刚化系统动力学建模方法的研究

具有大范围、高速运动的柔性体，即使在小变形范围内，运动和变形的耦合将产生动力刚化现象，本文提出一种研究动力刚化系统新的方法，建立了求解动力刚化系统逆问题的数学模型，拓宽了动力刚化问题的研究范围，该项研究对以柔性体为代表的航天器中的构件、机器人和高速机构等机械诉设计、动力学仿真和减振控制，具有重要意义。     

面向舰船应用的直线电机泵控制策略及振动试验研究

为了解决传统船用泵振动噪声大、流量脉动高以及控制方式单一等问题,提出了一种新型直线电机驱动柱塞泵结构.以直线电机驱动柱塞泵系统为研究对象,研究了直驱泵的恒流量工作原理,构建了不同运动曲线的数学模型,仿真分析了直线电机对于不同运动控制模式和运动曲线的动态响应特性,并经过样机试验验证了控制策略的可靠性及减振效果.试验结果表明:基于Labview的速度规划控制程序具有良好的操控特性,直线电机的速度特性满足直驱柱塞泵高频高速往复运动的要求;泵用电机以PVT运动模式下三角波和S形波速度规划运行,直线电机最大跟随误差为87.5μm和91μm,均小于Spline运动模式下的三角波和S形速度曲线,有利于减小直驱柱塞泵组合流量的脉动和系统振动;试验系统的振动幅值在径向得到了约70%的削弱,其他方向也有较好的减振效果,验证了直驱柱塞泵系统以三角波/PVT模式运行时振动响应特性较为良好,系统振动得到了较大程度的削弱.     

仿鱼机器人C形起动的动力学分析

为提高螺旋桨式水下机器人的起动性能,以草食性鱼类体干摆动模式的水下推进方式作为高机动仿鱼机器人推进器的设计原型.由鲫鱼C形起动高速摄影图像的运动分析,推导出仿鱼机器人快速起动的体干运动方程.计算横向摆动流体举力、尾涡反作用力、边界层摩擦阻力和纵向附加质量力,建立C形起动的动力学模型.进行仿鱼机器人体干曲线波,以及多步态快速起动的运动学和动力学参数的仿真计算和优化设计,由数值计算和分析得出的结论和鱼类游动规律基本吻合,为研制具有快速起动性能的水下机器人提供理论基础和设计思路.     

输入地震动对面板堆石坝坝体加速度放大系数的影响

采用等效粘弹性模型对某面板堆石坝进行了三维动力有限元分析,分别计算了坝体在不同地震设计烈度(峰值加速度为0.1g~0.4g)下面板堆石坝的地震动力反应。结果表明:坝体的峰值加速度随着输入地震动的增大而近似线性增大;但是峰值加速度的放大倍数随着输入地震动的增大而非线性减小。地震峰值加速度变化规律对面板堆石坝的抗震设防具有一定的借鉴意义。     

Switching circuits based on comparison operations and multiple-β transistor

By using comparison operations, three basic operations, AND, OR and NOT, in Boolean algebra are re-defined Based on the characteristic that the voltage signals are easy to implement comparison operation, various logic functions realized by connecting emitters of the bipolar transistor are analyzed. Furthermore, a novel multiple-β transistor and the linear AND-OR gate, which is composed of the transistor, are investigated. Super high-speed characteristic and multiple-cascade capability of the linear AND-OR gate are verified by PSPICE simulation. Based on the analysis of high-speed switch, which is compatible with the linear AND-OR gate, a high-speed inverter is proposed, which is composed of multiple-β transistors. The corresponding flip-flop design is also given. Finally, the criterion for using linear AND-OR gate to design high-speed switching circuits are presented. Some combinational and sequential circuits are designed as the practical examples. Discussion indicates that the switching circuits bas     

基于机构动力学-控制系统协同仿真与优化的凸轮廓线优化设计

为了降低高速吹瓶机中凸轮机构带动的模具合模时出现的接触力,提出了基于机构动力学-控制系统协同仿真和优化的凸轮廓线优化设计方法.首先,建立吹瓶机模具运动控制系统模型,目标函数是在最大接触力约束下运动时间最短.其次,根据赫兹接触理论中接触力与变形量的关系,引入位移状态变量,将高速无冲击凸轮廓线设计问题转化为位移无超调的最速...     

基于欧拉方程的一种机翼气动弹性计算方法

利用一种双时间方法求解三维非定常欧拉方程，采用无限插值理论生成O－H型代数网格，考虑了机翼变形时的网格生成问题，通过与气动力方程的联立求解，在时间域内用二阶龙－库塔方法求解机翼弹性运动方程。计算结果表明，本计算方法具有较高的计算效率，所计算的颤振临界速度与风洞实验一致。     

跳汰床层运动参数的特性分析

应用跳汰模型实验系统和高速动态分析系统,研究了跳汰床层在不同操作条件下的分层过程.研究表明,利用高速动态分析系统可以清晰地观察跳汰床层在10~(-2)～0.5×10~(-3)s内的运动情况.通过观察和分析,绘制了跳汰床层运动的位移、速度、加速度、能量和受力曲线,揭示了跳汰床层分层过程的一些现象和机理.     

水下高速运动体运动稳定性的分叉分析

为保证水下高速运动体能在高速时稳定运动,使用分叉法确定其稳定运动的范围和条件.通过对运动体受力和超空泡特性进行分析,建立了水下高速运动体的纵向运动模型,采用分叉法求系统分叉点来确定模型稳定运动的范围,使用数值仿真对水下高速运动体的运动进行分析,提出了对分叉点位置进行控制的方法.仿真结果表明,建立的水下高速运动体的纵向运动模型符合运动体的实际运动规律,在分叉点处模型的运动特性产生突变,系统分叉点位置可以进行有效控制.证明了分叉分析法能够准确判定保证水下高速运动体稳定运动的空化数范围,并且其范围可控.     

新型胶印机递纸吸嘴机构动态性能分析

为了满足胶印机高速生产时平稳输送纸张的要求,针对正处于研制的新型共轭凸轮递纸吸嘴机构进行了高速工况下的理论动态分析.在将递纸吸嘴机构看成是一个弹性系统的条件下,以动力学理论为基础,通过适当的假设,建立了机构的简化动力学模型及其运动微分方程.根据企业提供的基本数据运用数值算法,经过计算得出了机器在最高运行速度下机构的动态响应和动态运动误差.结果表明,在高速工况下这种具有几何封闭的递纸机构不能满足高速印刷机输纸的要求,可通过参数优化改进机构的设计.本研究可为高性能的印刷机研制提供参考.     

在任意动力荷载作用下具有有效自由度的非线性系统的一些解析算法(英文)

具有有限自由度的非线性动力系统(线性系统为其特例)的动力设计方法,通过非线性连接装置(具有非线性特性的阻尼器、或者是阶跃性地启动和退出工作的联系)与其它的单元和结构连接.在这种算法中,与线性系统对应的算符写于运动方程的左边,而非线性算符置于方程的右边.具有这种形式的运动方程的解可以表示为线性系统振型的叠加,从而可以把方程分解为n个类似于单自由度系统的具有非线性项lr的方程.利用Duhamel积分,得到的方程转化为n个非线性积分方程.虚拟力值在每一个步长上通过叠代得到了进一步的精确化.在本文中展示的非线性隔振系统设计结果及其它一些问题的解答,尤其是具有阻尼器的系统的设计,展示了在任意荷载作用下,在强非线性系统的设计中本算法具有很好的收敛性和精度.     

永磁直线同步伺服电机的端部效应分析

现代高档数控机床对伺服进给系统提出了＂高速、高精度＂的双重要求,采用永磁直线电机直接驱动是实现机床高速、高精度进给的必要途径之一。然而,由直线电机端部效应引起的扰动,也成为影响着机床主轴系统性能的主要因素。本文系统地分析了永磁直线同步伺服电机的静态纵向端部效应、静态横向端部效应、动态纵向端部效应和动态横向端部效应的起因、机理及对电机性能的影响。     

二维激光扫描转鼓的设计与研究

本文介绍了用一个转鼓实现二维扫描的方法,着重分析了转鼓设计时应该注意的几个问题,诸如转鼓的外形尺寸、几何精度及运动精度对扫描特性的影响,最后举出一个十八面转鼓的设计实例,并给出具体参数。     

高速永磁电机转子多场综合设计

由于转子的强度和动力学分析是高速永磁电机设计的关键问题,因此必须对高速永磁转子进行基于强度、电磁及动力学特性的综合设计.采用有限元方法对转子进行应力场、电磁场及模态分析,并利用有限元软件优化设计模块,对转子结构进行多场迭代综合设计.通过强度分析确定了转子外径允许变化范围,根据电机的输出功率要求,选取了永磁体结构和转子的轴向尺寸.根据动力学要求确定转子长度,通过对转子多场综合设计得到满足强度、临界转速和电磁性能的转子综合设计结果,并以100kW,60000r/min高速电机为例进行设计和制造,电机实验验证了设计方法的正确性.     

高速滑轨结构参数对橇轨动力响应的影响

火箭橇在亚音速、跨音速、超音速条件运行时引起的动力学问题是高速滑轨设计及制造重点考虑的问题.结合中国某型橇轨系统,较为完善地建立了橇轨动力分析有限元模型,研究了钢轨、轨道梁、扣件和衬片参数对橇轨动力响应影响关系,探讨高速滑轨结构参数取值原则.研究表明,钢轨和衬片刚度对系统动力响应影响较大,橇轨动力响应相对较低的滑轨结构参数选取范围为:钢轨弹性模量为210 GPa、轨道梁采用C20～C60混凝土、扣件刚度为(1 200～2 000)kN/mm、衬片弹性模量为(100～140)GPa.该研究可为高速滑轨设计提供理论依据.     

五轴联动高速主轴铣头的设计与运动仿真

利用现代设计理论与方法,提出了高速数控机床五轴联动铣头的结构方案,实现了A/C两轴的联动功能;采用SolidWorks三维软件对五轴联动铣头进行了三维建模及运动仿真,验证了设计参数的合理性,为五轴联动铣头的结构设计提供了指导.     

跳汰过程中水流运动的数学模拟

跳汰分选过程是水和颗粒两相流在交变力场作用下，实现颗粒按密度分层的运动过程．研究水流运动特性，对控制和改善颗粒分层状况有重要作用．针对模型跳汰实验系统中水流运动特性，利用高速动态分析系统，研究了跳汰过程中水流的运动参数方程．在对实时采集的大量数据观察分析的基础上，提出了一整套水流运动方程．结果表明，水流运动的位移曲线特性符合阻尼强迫振动规律，水流运动的位移、速度、加速度、受力、动能等运动参数与跳汰机风压有直接的线性关系，与跳汰周期、阻力、床层松散度等跳汰参数有明确的非线性关系．     

高维动力系统在转子稳定性分析中的应用

研究了高维周期性变系数动力系统在转子稳定性分析中的应用，针对转子在有限元离散后产生的周期性高维动力系统，提出了一种新的稳定性分析方法.利用Floquet Lyapunov理论，通过求解Floquet乘子矩阵对数的方法，将周期性高维动力系统转换成等效的常系数动力系统.通过求解该等效系统的Lyapunov方程，判定原系统的稳定性.该方法避开了求解Floquet乘子矩阵全部特征值或最大特征值的难点，可用于分析实际工程中多转盘高速转子的稳定性.