初压力控制式圆窗激振压电作动器设计与优化

针对临床上所用的圆窗激振人工中耳不是针对该激振方式设计,存在术后补偿性能个体差异大、性能不稳定、增益值达 不到理论值的问题,设计了一款作动端与圆窗膜尺寸匹配、初始压力可控的圆窗激振压电作动器。 首先,结合人耳解剖结构,设 计了作动器的机械组成结构及宏观尺寸;其次,对弯张放大器进行受力分析,采用粒子群算法对弯张放大器进行优化设计,以获 得最优输出位移放大倍数;再次,构建了压电作动器-人耳耦合力学模型,分析了支撑弹簧横截面积与压电叠堆层数对作动器 听损补偿性能的影响,确定了该设计参数;最后,根据确定的设计尺寸制造了压电作动器样机,搭建了激光测振试验台,对压电 作动器的动态特性进行了测试。 试验结果表明,所设计的圆窗激振式压电作动器作用在圆窗膜上的初始压力可控,且具有工作 频带宽(100~ 10 000 Hz)、谐波失真低(THD≤0. 29% )的优点。 该压电作动器适用于圆窗激振的听力损伤补偿,为混合性听力 损伤的临床治疗提供一种新的方案。     

变刚度支撑圆窗激振压电作动器优化设计

针对现有临床上所用的圆窗激振式人工中耳作动器存在和圆窗膜不匹配、初始压力无法监控的问题,结合人耳解剖结构,设计了一款变刚度支撑式压电作动器。首先建立作动器与人耳耦合模型;然后基于该模型对作动器位移放大器、支撑弹簧、压电叠堆的关键参数进行了优化分析;最终通过试验测试作动器输出性能。试验结果表明,所设计的压电作动器实现了初始压力的监控;且谐振频率高达5 160 Hz,高频特性优越。满足圆窗激振的需求,有利于补偿感音神经性患者的听力损伤。     

风洞模型主动抑振器的设计与实验

研究了风洞模型主动振动的抑制原理,并结合叠堆式压电陶瓷作动器的压电效应设计了一套并联式主动抑振器。首先,针对模型支杆系统及其动力学特征,分析了支杆抑振原理,提出了一种基于叠堆式压电陶瓷作动器的风洞模型抑振器。然后,构建了抑振器实时控制系统,针对其驱动位移滞后的特点,研究了基于PD调节器的控制方法。最后,搭建了地面实验平台,利用锤击法和激振法对抑振器进行了地面实验。实验结果表明:抑振器具有提高支杆系统阻尼的能力,对风洞模型在俯仰和偏航两个方向上的抑振效果明显,特别是俯仰方向上,抑制器工作后系统阻尼比可由0.009提高到0.092,抑振后剩余振幅比例约为25%。试验结果验证了该风洞模型主动抑振器的可行性与有效性。     

应用于压电叠堆泵的微位移放大机构

提出了一种应用于压电叠堆泵的微位移放大机构,该机构以压电叠堆(积层式压电微位移器)为驱动元件,通过基于三角形放大原理的柔性铰链放大机构,放大压电叠堆的输出位移。同时,设计、研制了实验装置,并在试制样机上对其静、动态特性进行了实验。实验测试结果表明:该机构对压电叠堆输出位移的放大倍数达到5倍,并且该机构具有线性良好、高分辨率、高频响应等特点。由有限元分析得到的固有频率达到了1.8 kHz,实际测量的固有频率为1.5 kHz。     

一种新型大推力直线压电作动器

设计了一种新型大推力直线压电作动器,采用螺旋箝位的方式实现对压电叠堆微小位移的累积输出,实现了大推力和长行程。对该种作动器的驱动机理和作动器设计过程中的关键技术问题进行了详细的分析,包括力矩电机的转速设计、上下柔性联轴器的扭转刚度设计、螺母和丝杠之间相关机械参数的设计以及对所选压电叠堆进行性能测试并选择其最佳工作频段。原理样机长为140 mm,最大直径为45mm,重量为0.7 kg,行程为40 mm。在力矩电机转速为300 r／min,压电堆驱动频率为100 Hz时,作动器的最大输出力可达130 N。     

一种新型大推力直线压电作动器

设计了一种新型大推力直线压电作动器,采用螺旋箝位的方式实现对压电叠堆微小位移的累积输出,实现了大推力和长行程。对该种作动器的驱动机理和作动器设计过程中的关键技术问题进行了详细的分析,包括力矩电机的转速设计、上下柔性联轴器的扭转刚度设计、螺母和丝杠之间相关机械参数的设计以及对所选压电叠堆进行性能测试并选择其最佳工作频段。原理样机长为140mm,最大直径为45mm,重量为0.7kg,行程为40mm。在力矩电机转速为300r/min,压电堆驱动频率为100Hz时,作动器的最大输出力可达130N。     

尺蠖式压电线性作动器设计及实验研究

针对空间环境下小型抓取操作机构对新型作动器的使用需求,考虑压电作动器具有耐温范围宽、无电磁干扰及断电自锁等特点,仿照昆虫尺蠖的行走方式设计一种新型压电线性作动器。首先,利用柔性铰链式位移放大机构放大压电陶瓷（Pb-Zr-Ti,简称PZT）叠堆的输出位移,以增大线性作动器的移动步长及对导轨的夹紧变形量,将多个压电陶瓷叠堆器件分为3组,分别作为尺蠖式压电线性作动器的2个夹持单元和1个推进单元的激励源,以获得较大的驱动力并进一步增大作动器的移动步长;其次,借助有限元仿真分析软件,研究压电陶瓷叠堆力电耦合行为的预测方法,并实验验证该方法的可行性;然后,简化柔性铰链式位移放大机构,提出放大倍数的数值分析方法,对位移放大机构在压电陶瓷叠堆作动方向上的刚度进行仿真分析,并验证放大倍数的数值分析方法的准确性;最后,基于设计的线性作动器开展实验研究。结果表明：位移放大机构对压电陶瓷叠堆输出位移的放大倍数为7.3,处于理论值与仿真值之间;在激励电压频率为5 Hz时,作动器的最大空载移动速度为413 μm/s;作动器的最大推动力为16 N,对应的驱动速度为19 μm/s。以上研究结果能为小型抓取操作机构的智能驱动提供技术支持。     

激振源对高频精密物料输送装置性能影响的试验研究

为研究激振源对高频精密物料输送装置性能的影响,对同一压电输送振子采用不同激振源进行驱动,应用ANSYS软件对激振源参数进行分析,并进行试验。试验结果表明:激振源尺寸变化对压电振子输送性能影响较大,激振源尺寸为24 mm×24 mm×1 mm和24 mm×6 mm×1 mm,驱动电压峰峰值为120 V时,激振频率相差188 Hz,且激振源尺寸与输送振幅成线性关系。研究结果可以为高频精密物料输送装置激振源的设计提供依据。     

应用于干涉显微镜的直线压电作动器

提出了应用于干涉显微镜焦距调节的直线压电叠堆作动器和微动台.介绍了基于三角位移放大原理的压电作动器结构设计,利用ANSYS的APDL语言实现了对作动器钢架结构的建模,并采用Optimus中自带的差分进化算法(DE)对其结构尺寸进行了优化.制作了实验样机,激光干涉实验表明:当驱动电压信号幅值为40～100 V时,作动器位移放大倍数可以达到7.最后,将设计的直线作动器作为驱动核心安装在自行设计的微动台上,然后将组成的系统用于光学干涉显微镜.实验显示,整个系统在电压为24～40 V,阶梯增量电压为0.8V时,步进分辨率可达23 nm,满足干涉显微镜细分干涉条纹所需要的直线位移分辨率的要求.     

以压电陶瓷为作动器的主动隔振研究

本文讨论了压电陶瓷作动器的性能和基于共振情况下的柔性结构的高频窄带主动隔振技术。由压电陶瓷作为作动器，激振器作为干扰源，铝制悬臂梁作为结构组成了系统装置。由力传感器将结构的信号经补偿器补偿后作用于作动器组成了闭环主动隔振系统，最后给出了经典的二阶补偿下的闭环隔振实验结果。     

液压管路脉动主动控制的消振阀的设计

液压管路脉动主动控制方法由于其强自适应能力和较好的脉动削减效果而越来越受到重视,针对基于旁路溢流原理的脉动主动控制理论中对消振阀的性能要求,设计了锥阀结构的高频响压电直驱式节流阀,利用压电陶瓷的高频响、高输出力特性,并采用环形压电叠堆来优化阀的结构尺寸。建立了压电直驱式节流阀的数学模型,通过理论计算和仿真分析得到,该压电式节流阀从阀芯位移量、响应频率、流量特性角度都能满足脉动主动控制对消振阀的要求。     

双足压电直线作动器结构优化与实验

为提高双足压电直线作动器的有效驱动,增强作动器中二级杠杆微位移结构和柔性铰链的放大能力,对作动器的结构参数进行优化。首先,对二级杠杆微位移机构的放大倍数进行理论计算,基于ANSYS完成作动器定子作动仿真过程;其次,通过仿真分析发现,在作动器定子中综合使用直圆型柔性铰链和直梁型柔性铰链,会使作动器定子放大倍数得到优化,最优铰链参数对应的放大倍数为8.131;最后,制作了该作动器样机并进行了定子驱动足振幅测试,两驱动足的振动相对稳定。实验结果表明,驱动足I,II的位移振幅在60和63μm的上下范围浮动,与实际相符合。与现有的压电直线作动器相比较,该作动器结构简单,易于安装调试,具有大振幅驱动和运行稳定等特点。     

宏微直线压电电机微驱动机构设计与分析

为了解决宏微驱动直线压电电机微驱动位移较小、对宏动定位误差的补偿能力不足的问题,提出一种宏微驱动钹型直线压电电机。采用钹型复合压电叠堆为驱动单元替换压电陶瓷片组成的压电叠堆,实现轴向位移的一次放大,通过弹性拨齿的柔性铰链结构将钹型压电叠堆输出的微位移二次放大。该电机可在特定的驱动频率、工作电压和相位差下实现振子振动模态下的超声驱动,也可以通过微位移放大机构实现静态变形的微驱动(蠕动)。建立了该直线压电电机的三维有限元模型,利用有限元软件分别对弹性拨齿、钹型压电叠堆和复合振子进行静力学分析和静态优化设计。有限元仿真表明:基于柔性铰链结构的弹性拨齿经过优化后,最小刚度小于钹型压电叠堆的最小刚度;在相同条件下,优化后钹型压电叠堆沿轴向方向的静态变形量比由压电陶瓷片组成的压电叠堆的静态变形量提高了8.45倍;采用基于柔性铰链结构的弹性拨齿和钹型压电叠堆组成的复合振子的拨齿质点沿水平方向的静态位移量比优化前提高了12.1%,大幅提高了微驱动对宏动定位误差的补偿能力,为压电电机微驱动的结构设计及优化提供依据。     

压电陶瓷作动器非对称迟滞的建模与补偿控制

针对传统Bouc-Wen模型不能反映压电陶瓷作动器迟滞的非对称特性而导致其补偿控制精度难以提高的问题,提出了一种改进Bouc-Wen模型,通过修改形状控制参数使其能够模拟压电陶瓷作动器的非对称迟滞曲线.利用粒子群优化算法辨识了所需的模型参数,进一步研究了基于模型的前馈补偿控制、前馈加PI反馈补偿控制对于实现高精度位移输出的效果;在开环前馈补偿控制实验中,采用改进Bouc-Wen模型比传统Bouc-Wen模型的控制误差可降低约42％;在前馈加PI反馈补偿控制实验中,采用改进Bouc-Wen模型比传统Bouc-Wen模型的控制误差可降低约20％.研究结果表明:在相同的控制方式下,采用改进Bouc-Wen模型能够得到比传统Bouc-Wen模型更高的轨迹跟踪精度;与单纯采用基于模型的前馈补偿控制相比,采用基于模型的前馈加PI反馈补偿控制可显著提高压电陶瓷作动器的位移输出精度.     

菱形微位移压电作动器输入输出杂交建模

针对某定位装置,研究了一种新型菱形微位移压电作动器,该压电作动器由压电堆、菱形位移放大机构以及柔性铰链组成。菱形微位移压电作动器的核心驱动部件为压电堆,由于压电材料的迟滞特性,菱形压电作动器具有非线性迟滞特性。为了消除迟滞对压电作动器在后续控制中的影响,发展了一种Preisach杂交建模的方法,该方法在传统Preisach模型的基础上,有效结合了Preisach离散模型和支持向量机(support vector machine,简称SVM),建立了微位移压电作动器输入输出杂交模型。试验结果表明,SVM有效解决了因1阶滞回曲线数量不足而导致Preisach模型精度低的问题,同时与传统Preisach模型相比,杂交建模能更准确地描述迟滞特性,具有更高的精度。     

压电式振动钻削工作台及其性能测试

在压电致动器的特点、性能简要分析的基础上,提出把压电致动器用做振动钻削振源的可行性,并进一步阐述了压电式振动钻削工作台的激振方式、结构形式,以及驱动与控制。对压电振动台的空载输出特性和钻削加工中的振动特性进行了测试和分析。测试结果表明,基于压电致动器的振动钻削工作台具有输出线性度好、波形基本不失真、振动参数畸变小、抗干扰能力强等特点,完全能够满足小孔和微孔振动钻削的需要。     

比例电磁式主动吸振器的设计方法研究

以电磁铁为作动器,开展了电磁式主动吸振器设计方法的研究。对主动吸振器电磁作动器进行了设计研究,针对基于E型电磁作动器的主动吸振器具有非对称驱动力的问题,设计了一种具有盘形磁极面的比例电磁作动器。采用有限元和试验验证的方法,对电磁作动器在不同磁极面结构参数组合下的电磁力进行了正交仿真计算和验证,以在一定的动铁心位移范围内电磁力波动最小为目标,获得了最优组合的磁极面结构参数。对主动吸振器动质量的动态位移进行了计算分析,并基于主动吸振器的工作频带和目标驱动力,设计了动铁心的静平衡位置。计算了主动吸振器设计刚度值,并分析了刚度参数对吸振器电磁力特性的影响。最后,结合理论计算和试验验证的方法,分析了比例电磁式主动吸振器近似对称的驱动力特性。     

线性悬臂梁式压电振子的理论分析与仿真

悬臂梁式压电俘能系统的输出电压和功率与压电振子的结构尺寸、外界激振频率等都有着密切的联系。同时,线性压电振子当与环境振动激励产生共振时才能获得最大的输出功率,而其固有频率又与压电振子的结构尺寸等参数有关。因此,为了在实际应用中提高俘能效率,就需要研究这些参数对悬臂梁式压电俘能系统性能的影响规律。现针对悬臂梁式压电振子结构进行了相关的理论分析,并通过COMSOL Multiphysics有限元软件,对系统输出电压和功率受外界激振频率、负载、外激励加速度的影响规律进行了仿真分析,从而为优化悬臂梁式压电振子结构,降低系统固有频率提供了参考。     

压电叠堆泵微位移放大机构的试验研究

提出了一种应用于压电叠堆泵的微位移放大机构,该机构以压电叠堆(积层式压电微位移器)为驱动元件,通过基于三角形放大原理的柔性铰链放大机构,放大压电叠堆的输出位移.同时,设计、研制了实验装置,并在试制样机上对其静、动态特性进行了实验.实验测试结果表明,该机构具有线性良好、高分辨率和高频响应等特点.     

双向作动大行程二自由度稳像机构

针对光学稳像系统的双向动态大行程的设计要求,本文设计了一种可伸缩双向作动的压电作动器,并基于此压电作动器设计了二自由度稳像机构。压电作动器由一个收缩式三角位移放大机构和一个伸张式三角位移放大机构组成。位移放大机构可为压电平台提供足够的行程,柔性铰链可使平台结构更加紧凑。接着,利用有限元分析软件ANSYS对平台结构进行静力学仿真,模拟了平台的位移和应力变化。最后对原理样机进行了实验分析,实验结果显示所设计压电平台在低电压和低频率下有足够大的行程和足够快的响应速度,作动器在120V电压下的输出位移在67μm左右,基本满足稳像系统的性能要求,故平台结构的设计方案是可行的。