非共振式压电直线电机中的防剪切机构

基于叠层压电陶瓷在使用中需要设计防剪切机构的特点,在总结非共振式压电直线电机的工作原理的基础上,对3种不同的防剪切机构进行了理论分析,结合已有的样机研究了其对非共振电机运动性能的影响,概述了其优势与劣势。在理论仿真分析中,得到最佳的机构形式,并对其进行结构优化,将最佳方案运用于定子结构中,制作了样机,实验结果验证了理论分析的正确性。新型样机在输入100V,100Hz的方波-三角波信号时,电机正向运动速度为209.1μm/s,反向运动速度为210.3μm/s。     

叠层橡胶金属弹簧轴向刚度特性研究

针对一种动力充压容腔机构,采用仿真的方法对叠层橡胶金属复合弹簧的轴向刚度特性进行了研究。基于静力学分析的结果表明,叠层橡胶金属弹簧的轴向静刚度为2．010×105N／mm,在0．4 MPa内压的作用下应力最大值在弹簧的底部。动力学仿真分析得出了叠层橡胶金属弹簧在变形不大的情况下刚度值基本是一个定值的结论,并通过曲线拟合的方式求得叠层橡胶金属弹簧的轴向刚度为2．023×105 N／mm。最后用仿真计算结果与动态试验数据的对比结果证明,动态仿真结果与试验结果较为接近。     

异形片弹簧结构对刚度与力学性能影响的研究

为了得到异形片弹簧结构参数对异形片弹簧刚度与力学性能的影响规律,应用HyperMesh软件与ANSYS软件联合仿真,对异形片弹簧刚度与力学性能进行分析计算,并与理论计算结果进行对比。研究结果表明,随着异形片弹簧所受载荷的增大,异形片弹簧端部位移线性增大,刚度为恒定值。异形片弹簧长臂形状对力学性能的影响不大。随着异形片弹簧长臂初始夹角的增大,刚度减小,所受最大应力减小。随着异形片弹簧臂长的增大,刚度减小,所受最大应力在臂长为11 mm时为最小值,之后随臂长的增大而增大。随着异形片弹簧厚度的增大,刚度增大,所受最大应力减小。     

压电尺蠖直线电机的结构设计及特性分析与测试

为实现大行程、高分辨率定位,采用推动式结构来设计压电尺蠖直线电机的新构型。首先,采用斜楔式机构及蝶形弹簧对钳位机构进行了设计,并基于柔性结构对驱动机构进行了设计,所设计的电机结构紧凑、易于调节、可断电自锁;其次,采用有限元对钳位机构和驱动机构的静动态进行了仿真分析;最后,搭建了实验系统,对电机的位移、速度、分辨率进行了测试。结果表明:在4.5 mm的运动范围,电机输出位移具有良好的线性,在50 Hz的驱动电压作用下,电机的运动速度为59.1μm/s,电机输出位移的分辨率为24 nm。     

压缩机网状阀悬臂式弹簧的计算

建立压缩机网状阀悬臂式弹簧物理模型,分析悬臂式弹簧刚度特性、运动等效质量及应力。通过分析网状阀工作过程可知,当悬臂式弹簧变形大于其临界变形时,刚度特性由线性变为非线性,线性区与非线性区的刚度需分别计算。运用瑞利法分析悬臂式弹簧的运动等效质量,用于模拟气阀运动规律。运用第三强度理论对悬臂式弹簧所受应力进行分析,用于指导其可靠性设计。     

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。     

一种双足驱动压电直线电机

为研制高精度、大行程、大推力的压电直线电机,设计了一种基于叠层压电陶瓷的步进式压电直线电机。分析了电机的工作原理,对电机的结构进行了设计,制作了原理样机,并进行了实验研究。实验表明,在一定频率范围内,定子驱动足振幅与电压成线性关系,且最大振幅可达2.9μm,电机最大无负载速度为796μm/s,最大输出推力为4.8N,达到了预期的目的。     

压电陶瓷驱动的长行程快刀伺服机构设计

压电陶瓷驱动的快刀伺服技术是加工光学自由曲面等复杂曲面的有效方法。为了突破压电陶瓷驱动快刀伺服机构的行程局限,本文采用二级杠杆放大机构,设计了一种压电陶瓷驱动的长行程快刀伺服机构,实现了快刀伺服机构的长行程输出性能并消除了机构的寄生位移。基于伪刚体模型和拉格朗日原理对机构进行了动力学建模,综合行程和固有频率性能优化了机构参数并进行了有限元仿真和实验验证。机构等效刚度和固有频率的理论模型和有限元仿真结果误差分别为6.4%和1.6%,验证了理论模型的有效性。实验结果进一步表明,所设计的快刀伺服机构可实现100μm的输出行程同时具有730 Hz的固有频率,验证了所设计机构用于快刀伺服加工的有效性。系统的闭环跟踪实验也验证了系统良好的跟踪性能。     

双向驱动压电作动器结构设计

为了实现叠层压电作动器双向驱动、提高作动行程的目的,设计了利用三角位移放大原理的双向驱动压电作动器。分析了作动机构的运动及放大机理,建立了作动器的输出位移的理论模型和有限元静力模型。样机输出特性试验结果显示:压电作动器的位移放大倍数达5.45,与有限元仿真得到的放大倍数5.71以及解析计算得到的5.76倍相对偏差分别是4.77%和5.69%;驱动器在幅值为200 V正弦电压的激励下,作动行程达105.5μm,作动行程与电压幅值具有很高的线性度(相关程度R2=0.997),且有很高的重复精度;作动器的输出特性受频率影响较小,频率每升高10 Hz,作动振幅减小0.04μm;放大机构的迟滞效应相比单个叠层压电陶瓷有很大改善,迟滞回线中心对称。该结构实现了较大行程、双向对称驱动的目的,适用于需要往复驱动特性对称的应用场合。     

基于压电叠层振动的一种直线电机的设计

设计了一种利用压电叠层的微幅振动的新型压电直线电机。分析了非共振状态下电机的工作机理,设计了电机的定子结构和总体结构。利用有限元软件对驱动足进行仿真分析,得到了柔性结构的最佳尺寸。制作了样机并进行测试,试验表明电机的运行速度随激励频率和激励电压的增加而增加,且在一定阈值内近似成线性关系。当驱动电压峰峰值为100 V、频率为1.6 kHz时,电机的空载速度可达2.8 mm/s,最大推力可达3.5 N。该电机工作频带宽、驱动电压低,对电机的结构精度和加工精度要求不高。     

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。     

十字片簧弹性支承机构的设计

首先建立了接触式台阶测量仪中关键部件———十字片簧支承的杠杆机构的数学模型并对其进行初步设计。直片簧应力有限元分析表明 ,该结构应力分布很不均匀 ;经片簧参数的改进设计 ,得出变截面片簧的设计参数。 0 .2N外加载荷作用下 ,采用Algor有限元软件分别对变截面片簧进行仿真实验 ,最大、最小应力之比由直片簧的 3 1.4降低为7.7,扭转刚度为 0 .0 6N·m ,测量力变化率为 3 6.6N/m ,极大地改善了该机构的机械特性     

基于MEMS机构装配的微夹持器研究

微夹持器作为末端执行装置,直接决定了微装配的效率。MEMS机构中包含许多微小的活动部件和功能元件,为实现这些微小器件的稳定夹取和自动装配,设计了一种采用压电陶瓷驱动、基于柔性铰链的二级放大微夹持器结构。对该微夹持器的节点应力、刚度及最大张合量等进行了分析计算,并对微夹持器进行了试制。实验与分析结果表明,该夹持器最大张合量是245μm,放大倍数约为12.3倍,满足MEMS机构的装配要求。在此基础上,重点对张合量与夹持力进行了系统测试,通过对测试数据的非线性回归,推导出99.99%可靠度的驱动电压计算公式,实现了微夹持的精确控制。     

弱刚性构件磁流变抛光变形机理与抑制技术研究

弱刚性平面构件对应力极其敏感,加工后平面度难以保证,为解决该问题,提出通过磁流变抛光工艺改善工件的平面度。通过有限元仿真,阐明弱刚性构件磁流变抛光变形的机理,提出残余应力的不对称释放是造成工件变形的主要原因,并建立加工过程中工件变形预测模型。仿真结果表明,采用单面加工时,变形为9.5μm;采用翻面加工时,变形为0.7μm。根据仿真中工件变形的情况,提出了翻面加工的策略,并通过实验进行验证。实验结果表明,单面加工时,工件变形严重,而采用翻面加工时,变形会产生回复现象,从而使得工件平面度得到有效收敛。进而,提出了弱刚性构件磁流变修形抑制技术,即通过翻面等量材料去除实现工件表面残余应力的对称释放,并在?200 mm、厚2 mm的纯铜弱刚性平面构件上应用该技术,两个面的平面度PV值分别从4.6μm和5.9μm降低到2.0μm。     

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。     

TRT蜗壳稳态运行特性的数值模拟

通过有限元的方法,对大型TRT蜗壳式焊接机壳在热稳态运行条件下的温度场、应力场以及变形场的分布情况进行了数值模拟。计算结果表明,整个TRT蜗壳在热稳态运行条件下,机壳由于温度载荷的作用产生了热膨胀,机壳上的等效应力值均不大,大部分区域应力在100 MPa以下,在上机壳筋板附近,等效应力值比较集中,筋板上的等效应力值在70 MPa左右,最大值为117 MPa,出现在筋板的局部尖角处。整个机壳最大等效应力为168 MPa,远小于其屈服强度,因此满足强度要求。整体机壳的轴向收缩量较大,机壳在排气室与端板处收缩1.711 mm,变形并不大。因此,在稳态运行过程中,蜗壳的刚度足够。     

基于d15变形压电致动器动静耦合激励分析

为研制一种大行程、高精度的压电致动器,以夹心式换能为机理,提出一种基于d_(15)动静耦合激励的新型压电致动器。对比优化设计的Cymbal压电叠堆与普通压电叠堆,分析了3种致动模式:d_(31)模式、d_(33)模式和d_(15)模式。利用有限元仿真方法和相关测量试验分析了机构的位移输出量,得到在有限元仿真软件平台中,Cymbal压电叠堆能有效地将d_(15)径向变形转化为轴向变形,其d_(15)模式形变量是d_(31)模式形变量的6.35倍,是d_(33)模式形变量的1.66倍;压电致动器在d_(15)动静耦合激励下的最大位移输出量(8.78×10~(-4) m)是d_(15)静态直流激励(6.45×10~(-5) m)的13.61倍,是d_(15)谐振交流激励(7.80×10~(-4) m)的1.13倍。测量试验发现,压电致动器产生的最大输出位移随着电压的增大呈近似线性增加,当电压为100V时,压电致动器产生的最大输出位移为8.11×10~(-4) m,证明了d_(15)致动模式下动静耦合激励的可行性。     

压电驱动微型精密夹持机构设计与实验研究

为了简化压电精密夹持机构的结构以及降低其加工制造难度,提出了一种基于柔性铰链和两夹持臂的压电微型精密夹持机构,并分析了该夹持机构的工作原理。利用压电材料的非线性应变关系建立了压电精密夹持机构的输出位移和受力模型,通过数值仿真分析了精密夹持机构的输出特性。搭建了实验平台,通过实验测试验证了压电精密夹持机构的输出性能以及理论模型的正确性。结果表明：两夹持臂的实验与仿真位移均存在迟滞现象,在120 V驱动电压下,两夹持臂的最大径向位移测试值分别为73.8 μm和68.6 μm;当驱动电压大于50 V时,夹持臂输出位移测试值与仿真值间的误差在10%以内;当驱动电压为120 V时,夹持机构最大切向和轴向摩擦夹持力的实验值分别为7.8 N和5.7 N。