纳米定位机构及其控制系统的研究

在纳米科学与技术领域 ,纳米定位技术是纳米测量和原子操作工程研究及走向产业化的前提条件和工作基础。本文设计了一种新颖的以柔性铰链为弹性导轨、压电陶瓷为驱动器的纳米定位机构 ,给出了其动力学模型 ,结合纳米传感器微位移检测装置和微机控制系统设计并研制了数字闭环控制的纳米定位系统。实验表明 :该纳米定位系统行程 10 μm ,定位精度优于± 0 .0 3μm ,定位分辨力 3nm ,最大定位时间 40ms。     

压电精密驱动柔性微夹钳设计

为了实现对微纳尺度下物件的精密夹持,建立了柔性微夹钳系统。并对该系统柔性夹钳设计、运动学、动力学和控制方法等进行研究。首先,利用柔性铰链设计方法设计了柔性微夹钳,利用伪刚体法建立了机械的伪刚体模型。接着,以伪刚体模型法建立了系统的运动学模型,即机械放大比和输入刚度等数学模型。然后,利用拉格朗日方法建立了系统的动力学方程,得出系统的自然振动频率。最后,通过ANSYS有限元方法对系统建立的模型进行了仿真分析和验证,此外,利用PID控制算法对微夹钳系统进行实验控制。实验结果表明:跟踪控制结果误差为2.4%;放大比为9.12倍。基本满足微纳尺度下的微夹持工作,其工作精度可达微米级别甚至纳米级别,符合设计要求。     

直角切口柔性铰链串联支链的屈曲分析

利用材料力学弯曲变形理论的挠曲线近似微分方程,建立计算直角切口柔性铰链串联支链屈曲临界力的数学模型,在建模过程中定义平均屈曲临界挠度系数并给出其确定方法.采用商用有限元软件ANSYS8.0对大量不同参数的串联支链模型进行有限元屈曲分析,分析结果与根据数学模型计算得到的屈曲临界力十分接近,说明了所建数学模型的正确性.研制测试柔性铰链串联支链屈曲临界力的专用试验装置,针对加载载荷尺寸对柔性支链屈曲的影响,提出载荷等效长度的概念.试验结果表明:屈曲临界力的试验值与理论计算值相吻合,从而验证所建数学模型具有较高的参考价值,可以作为柔性铰链串联支链屈曲优化设计的指导理论.     

具有柔性铰链的差式微位移放大机构

阐述了差式微位移放大机构的基本设计原理,分析了机构中位移损失的原因。研制的放大机构具有较好的放大效果,而且机构的位移输出线性特性也较好。采用片状柔性铰链成功地解决了由于机构中的位移干涉造成的机构内部反力太大的问题。     

采用柔性铰链实现镜子的四自由度精密调整

设计了一种对镜子进行四自由度精密调整的机构.对其关键零件柔性铰链的设计进行了详细介绍;给出了单边直圆柔性铰链的刚度计算公式;应用有限元软件对柔性铰链进行了应力和变形校核.结果表明有限元分析的结果与理论计算值基本一致,由此表明所设计的镜子调整机构能够满足设计要求.     

大变形柔性铰链的多簧片构型

如何设计大变形的柔性铰链是目前进行柔性铰链研究的方向和热点之一。讨论了几种典型大变形柔性铰链的结构形式及特点,提出了应用多簧片构型设计大变形柔性铰链的参考方法,并根据此方法设计了一种具有较大转动范围的多簧片构型的柔性铰链,应用有限元方法进行了分析及实验研究。实验结果表明,这种多簧片串并联构型的柔性铰链具有较大的转动范围、转动柔度和较小的径向刚度。     

TJ10—74与GBJ10—89规范受弯构件正截面抗力转换系数

分析了 TJ10—74规范受弯构件正截面诸修订因素(砼强度“双改方案”、设计表达式、正截面计算方法……).在此基础上推演出 TJ10—74与GBJ10—89两规范关于受弯构件抗力转换系数.可供结构设计使用.     

低干缩延性材料-混凝土复合梁抗弯性能

为研究延性材料对普通混凝土的增强增韧效果,本文采用低干缩高延性纤维增强水泥基复合材料(LSECC)与普通混凝土复合的方式,从试验与模拟两个方面研究了复合梁的抗弯性能．结果表明,在梁底复合低干缩延性材料后不仅可以提高梁的抗弯承载能力,还大幅提升了梁的延性．当LSECC的强度比上层混凝土的强度高时,复合梁的峰值荷载受LSECC层厚的影响明显,随着层厚的增加而增大．当上层混凝土的强度较高时,复合梁的峰值荷载随LSECC层厚度的变化不明显．基于开裂强度和材料应力裂纹宽度关系的抗弯模型可良好地预测不同材料复合梁的弯曲性能,模型结果与实测值吻合良好,可用于组合结构优化设计．     

弹簧展开铰链锁定冲击及减小冲击方法

为减小空间可展开机构中弹簧展开铰链应用时易产生的冲击,通过拉格朗日方程与赫兹方程,提出铰链展开末端的冲击加速度和冲击力矩的计算方法,分析影响冲击力矩大小的主要因素,首次从组合机构的角度,提出间歇性运动机构和耗能型机构两种降低弹簧展开铰链展开末端冲击的设计方案,从能量的角度讨论两种机构减小铰链冲击方法的作用效果.对两种降低铰链冲击的机构进行三维建模,并对模型进行仿真验证.仿真结果表明:间歇性运动机构和耗能型机构分别可以使冲击力矩减少约90%和31%.研制两种低冲击铰链机构样机,并进行试验和测试,冲击加速度测量结果表明,间歇性运动机构和耗能型机构可以分别使铰链展开末端冲击速度降低约95%和40%.     

高精度压电步进直线驱动器

提出一种以压电叠堆为驱动动力源的新型精密直线驱动器方案。定子采用柔性铰链双侧对钳方式交替对动子起到钳位作用。对驱动器工作原理进行了分析研究,建立了机械系统的数学模型。采用MSC Patran/Nastran软件对机械结构进行了仿真分析,并对所开发的驱动器样机进行了实验测试。测试结果与理论分析结果基本相符,样机的运动速度可达1.52mm/m in、单步最小位移(运动分辨率)为3.35 nm。驱动器性能稳定可靠,可望在精密工程等相关领域得到应用。