Development and application prospects of piezoelectric precision driving technology

With the rapid development of science and technology, microelectronics manufacturing, photonics technology, space technology, ultra-precision machining, micro-robotics, biomedical engineering and other fields urgently need the support of modern precision driving theory and technology. Modern precision driving technology can be generally divided into two parts: electromagnetic and non-electromagnetic driving technology. Electromagnetic driving technology is based on traditional technology, has a low thrust-weight ratio, and needs deceleration devices with a cumbrous system or a complex structure. Moreover, it is difficult to improve positioning accuracy with this technology type. Thus, electromagnetic driving technology is still unable to meet the requirements for the above applications. Non-electromagnetic driving technology is a new choice. As a category of non-electromagnetic driving technology, piezoelectric driving technology becomes an important branch of modern precision driving technology. High holding torque and acute response make it suitable as an accurate positioning actuator. This paper presents the development of piezoelectric precision driving technology at home and abroad and gives an in-depth analysis. Future perspectives on the technology’s applications in the following fields are described: 1) integrated circuit manufacturing technology; 2) fiber optic component manufacturing technology; 3) micro parts manipulation and assembly technology; 4) biomedical engineering; 5) aerospace technology; and 6) ultra-precision processing technology.     

黏滑驱动式小型精密运动平台

为满足微纳操作系统对精密驱动技术的需求,本文提出了一种基于黏滑原理的小型精密运动平台。该平台将柔性铰链、惯性质量块以及弹性元件结合为独立的定子基座,并与压电叠堆、陶瓷球固连为定子,安装在平台基座底部,通过螺钉调节弹性元件端部垂直方向的位置,就可以改变定子与移动台间的预压力,进而获得最佳的驱动力。为研究黏滑驱动的运动机理,分析各参数对平台运动的影响,进行了力学建模;而摩擦力作为黏滑驱动的关键因素,为了能准确地表达黏滑驱动的摩擦机理,在力学建模中引入了LuGre摩擦模型,并利用Matlab/Simulink软件进行了仿真分析。设计加工的黏滑驱动平台的整体尺寸为40mm×40mm×18mm,质量为32g。试验表明:该平台最小可实现10nm的运动步长,速度最高可达2.5mm/s,行程为22mm。     

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.     

压电超精密定位台的动态迟滞建模研究

为了提高压电超精密定位台的建模精度,采用Backlash-Like迟滞非线性模型来描述压电超精密定位台的迟滞特性,采用基于遗传因子的递推最小二乘法来辨识Backlash-Like模型的参数,并结合压电超精密定位台的动态特性,建立了压电超精密定位台的二阶动态迟滞模型。通过实验得到,对比Backlash-Like模型,动态迟滞模型在频率为30和40 Hz时,最大输出位移误差由1.21和1.39μm下降到0.32和0.44μm,且最大相对误差分别仅为3.5%和4.4%,平均位移误差由0.53和0.76μm下降到0.17和0.21μm,平均相对误差由1.93%和3.38%下降到1.11%和1.37%。实验结果验证了提出的动态迟滞模型,既能减小了因压电超精密定位台的动态特性而引起的系统误差,又能很好地模拟其迟滞特性与动态特性,并且避免了不同频率下的模型参数反复辨识问题,提高了压电超精密定位台在高频、快速、大行程定位中的精度。该方法简单且适应性强,易于工程实现。     

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]     

超声电机在国外的发展

简要回顾了超声电机的发展，并简述其工作原理和结构形式，对其各种控制策略做了简要的比较。分析国外超声电机的关键问题及研究现状，探讨其在各领域中的应用前景及发展趋势。     

高速精密压力机理想驱动转矩研究

建立了高速精密压力机理想驱动转矩的表达式,并对其进行了简化。以研发中的多连杆式高速精密压力机为例,计算了其理想驱动转矩,并与曲柄滑块式的高建精密压力机高速精密压力机进行了比较分析。结果表明:理想驱动转矩不仅与公称力有关,还与驱动形式、曲柄转速、等效运动质量有关;惯性力所引起的转矩在一定速度下可超过公称力所必需的转矩;该多连杆式高速精密压力机不适宜于过高的冲压速度。研究结果有助于高速精密压力机主传动型式的选择及上模质量的确定。     

压电陶瓷执行器迟滞与非线性成因分析

从微观上系统分析了电致伸缩效应、逆压电效应和铁电效应的位移机理,表明:三种效应的位移机理是根本不同的;压电陶瓷执行器的位移主要是由逆压电效应、铁电效应所引起的,电致伸缩效应对位移的贡献极其微弱,可以忽略不计;单纯的逆压电效应是线性的,而铁电效应则是迟滞非线性的.指出了非180°电畴转向与转向的不完全可逆,分别是造成压电陶瓷执行器非线性和迟滞的根本原因.通过实验研究了驱动电压幅值、驱动电压频率、驱动循环次数及晶片厚度对压电陶瓷执行器迟滞和非线性的影响.     

非共振型压电电机驱动的大行程精密定位旋转平台的建模和实验

针对目前光波导封装使用的精密定位平台行程小,结构与控制系统复杂的问题,提出了非共振型压电电机驱动的大行程精密旋转定位平台。该平台通过压电电机的连续作动和步进作动两种工作模式来满足大行程和高精度要求。首先对该精密旋转定位平台进行动力学建模,确定了系统运动方程。然后,分析其作动机理,研究影响旋转平台转速的不同因素。最后,实验研究该精密旋转定位平台的速度、步距、分辨率与负载特性,确定平台连续作动与步进作动的驱动方式。实验结果表明,在直流偏置为60V,峰峰电压为120V,频率为180 Hz的正弦波电压激励下,该精密旋转定位平台最大转速可达47 963.2μrad/s,分辨率和最大负载分别为3μrad和60g。与现有的大行程精密定位旋转平台相比,设计的平台具有行程大,精度高,结构简单,稳定可控,且装配调试方便,易于批量化生产等优势。     

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。     

四通道SLD光源驱动技术研究

为提高SLD光源的检测效率,在SLD光源驱动技术的基础上,研究了四通道SLD光源驱动技术。针对四通道SLD光源驱动可能面临的诸如电源供电、系统体积、面板显示、通道一致性等问题,文中分别给出了相应的处理技术或解决方法,并通过试验对四通道驱动技术的可实现性和可靠性进行了实际验证。研究结果对更多通道SLD光源驱动和类似电路系统的设计提供了参考。     

一种适用于微操作的驱动技术

随着微机电系统 (MicroElectro -MechanicalSystems ,MEMS)研究的日渐发展 ,灵活、稳定的微操作器作为微机电系统的一项基础研究 ,其重要性也越来越显示出来。从装配的微操作出发 ,介绍了微操作的基本概念 ,对应用于微操作的压电驱动技术的原理、特点、现状及研究热点进行了详尽的阐述 ,并对其相应的控制策略进行了探讨     

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。     

声致发光技术进展与应用前景

声致发光现象是指当液体受到强大声波作用时,液体中会产生一种"声空化"现象。即在液体中产生气泡,气泡瞬间缩小到一个非常小的体积,在此过程中会发出瞬间闪光并伴随释放大量的热量。声致发光作为声学和光学的交叉学科引起了很多人的兴趣。本文对声致发光这种奇特的现象进行系统评述,讨论声致发光的几种机理,介绍单泡声致发光和多泡声致发光的研究进展以及各领域最新研究成果,并对声致发光未来的发展及应用前景作出展望。     

微型机器人外场驱动技术的研究现状与发展

介绍了微型机器人外场驱动技术的特点及应用场合,综述了国内外在这方面的研究进展,并对利用外场实现微型机器人无线驱动的相关技术作了分析和展望。微型机器人在光波、磁场、超声波、微波等外部能量场的作用下能无物理接触地获得能量,就可以实现无线驱动,从而有效地克服了用引线和电池供应能量所带来的不足。     

基于并联机构的具有冗余自由度四自由度弹性阻尼减振装置研究

采用多自由度并联机构作为基体，在原机构原动件处辅以可控弹性阻尼装置，运用反向自适应原理，模拟橡胶，较好地解决了多自由度减振问题。以航行中船舶仪器设备需三维隔振为例，分析了船舶仪器设备的减振要求，采用三自由度或具有冗余四自由度并联机构组合弹性阻尼减振装置，介绍了该减振装置的结构及有关参数的设计方法，理论分析与动态模拟及试验结果一致，说明该减振装置的分析方法是正确的，可推广到其他要求多维减振的设备上。     

转键离合技术在步进输送驱动系统中的应用

主要针对以电动机作为动力源的工件步进输送驱动系统,重点研究采用曲柄压力机中的转键离合技术实现工件步进输送驱动系统中驱动动力源与从动部分之间动力的可靠分离与接合,阐述其运行可靠性与实用性,分析影响步进精度的误差因素,以解决多工位重载荷长距离输送的生产场合下工件步进输送问题,从而更好地满足连续自动化生产对工件步进输送的实际需求。     

金属橡胶成型工艺研究及其应用

主要研究了金属橡胶的成型工艺,介绍了金属橡胶材料在工业中的应用.     

快速成形技术及其应用

介绍激光快速成形技术的基本原理、实现方式、技术特点。以发动机缸盖零件为例,阐述RP制作时需解决的几 项关键技术。