关于新型功能材料精密微驱动器的研究综述

精密微驱动器是微机电系统的核心部件,是实现微器件运动的关键。微驱动器的工作原理主要是利用物体的物性效应(物理效应、化学效应、生物效应等)实现对目的物的驱动与操作,本质就是将光、电、热等多种形式的能量转换成为机械能输出,是近几年研究的热点。文章全面综述了电热式、磁致伸缩、电磁、压电陶瓷、静电和形状记忆合金几种微位移驱动器的原理、结构、特性及应用领域。     

超磁致伸缩驱动高压共轨式喷油器的结构设计及喷油特性分析

针对现有喷油器存在的喷油速率低、喷油脉宽大、响应速率慢的问题,提出了一种超磁致伸缩驱动高压共轨式喷油器的设计方案。简述了该高压共轨式喷油器的整体设计及工作原理,并且在Jiles-Atherton磁滞模型和液压传动理论基础上建立数学模型;采用COMSOL建立了驱动部分仿真模型,并进行输出位移和应力特性分析,采用AMESim建立了喷油器整体模型,并进行喷油速率分析;搭建试验平台,验证了超磁致伸缩驱动高压共轨式喷油器设计方案的有效性。结果显示：当线圈电流为3.6 A时,超磁致伸缩棒的最大输出位移可达52μm;在160 MPa的压力下喷油最低脉宽从1 ms降低到0.15 ms,并且无论脉宽长短,其脉宽-喷油量均具有良好的线性度。结果表明,提出的设计方案可行,为研制出一种高性能的高压共轨式喷油器奠定了理论和技术基础。     

超磁致伸缩驱动器磁致伸缩模型的有限元分析

超磁致伸缩驱动器具有响应速度快、输出力大、磁机耦合系数高等诸多优点,但因其磁致伸缩模型具有磁滞非线性特性,在设计超磁致伸缩驱动器过程中,主要是建立准确描述其磁滞非线性的数学模型。为有效提高超磁致伸缩驱动器的设计效率,以磁致伸缩产生机制为基础,将Jiles-Atherton磁滞模型和压磁方程结合,建立超磁致伸缩驱动器的非线性本构模型,并推导超磁致伸缩驱动器机械应力场弱解形式的控制方程。最后,基于有限元方法在COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件平台中实现其磁致伸缩模型的仿真,得出了一种高效率的超磁致伸缩驱动器的设计方法。     

基于GMM的高性能微定位工作台驱动系统的研制

提高微定位工作台的性能是提升高端制造装备加工性能的重要方式之一,针对现有微定位工作台驱动系统存有驱动力小、行程短、定位精度低等问题,研制了一台以超磁致伸缩材料为核心元件微定位工作台的驱动系统。为提高驱动系统输出位移的建模精度,以Jiles-Atherton磁滞模型为基础,建立该驱动系统的输出位移模型;为提高模型参数的辨识精度,将粒子群算法快速局部搜索性与人工鱼群算法全局收敛性相结合,提出一种高精度的混合优化参数辨识算法;为补偿驱动系统的输出位移误差,引入一种动态递归神经网络前馈-模糊PID反馈控制策略;为提高程序的执行效率,采用了高速DSP芯片开发控制系统;通过研制样机,搭建试验平台进行验证。结果表明:所研制驱动系统的最大位移为30.8μm,最大输出力为292.3 N,定位精度达到0.75μm,最大重复性误差为0.4μm,为研制高性能精密定位装置奠定了理论基础。     

基于分数阶PID的宏微复合驱动器宏动控制策略

针对宏微复合驱动器控制系统中存在定位误差大和调节时间长的问题,提出了一种基于次最优分数阶PID的控制策略。简述了宏微复合驱动器结构及工作原理,并基于电磁驱动原理建立了宏动部分数学模型;设计了分数阶PID控制器,并采用遗传算法和次最优的方法对控制器进行参数整定;通过数值仿真和实验验证了分数阶PID控制器的有效性。结果显示,采用分数阶PID控制器相较于传统PID控制器在5 mm以及更大定位行程中位移超调量下降超过57%,调节时间减少超过24%,且行程越大驱动器采用分数阶PID控制器控制效果越明显。研究结果表明,分数阶PID控制器在宏微复合驱动器宏动系统中的控制效果明显优于传统PID控制器。     

基于GMA柔性换向放大机构的结构设计与优化

设计了一种以超磁致伸缩驱动器(GMA)为驱动单元,以杠杆式柔性铰链进行位移换向放大的微位移传递机构。根据弹性力学理论,在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,推导出柔性换向放大机构的放大比和固有频率表达式,运用Matlab软件优化分析柔性铰链的切割半径R和最小厚度t等几何参数,获得了柔性铰链几何参数的最优值,并对优化后的结果进行有限元分析,最后,将仿真结果与理论分析结果进行了对比。研究结果表明,理论分析与有限元分析验证了理论模型的正确性,实现了机构放大倍数高、位移换向呈直线输出的设计目标。     

基于GMA二维柔性铰链平台的传动特性与分析

针对柔性铰链微定位平台两个方向同时施加载荷后难以提高平台位移精确度的问题,以基于GMA二维柔性铰链微定位平台为对象,对其进行静力学建模与仿真。运用J.M.PAROS柔性铰链计算公式、微分原理和能量守恒定律,建立了一种新型的二维柔性铰链平台力与位移之间关系的静力学模型,通过有限元仿真验证,精确度为4.64%。并使用MATLAB进行线性回归来拟合,得出线性回归方程且回归效果非常好。为二自由度及多自由度柔性铰链输入力与输出位移之间关系的研究提供了借鉴及参考的依据。     

水液压技术在煤矿支护装备中的应用及其研究进展

水液压技术相对于油压具有安全环保、节约资源、使用方便等诸多优点,是当前国际上流体传动与控制领域研究的热点方向之一,但水液压元件存在的气蚀、磨损、腐蚀及泄漏等共性问题,严重制约了水液压技术的进一步发展。乳化液水液压技术采用高水基的乳化液为工作介质,同时兼顾矿物油介质和纯水介质的优点,在煤矿井下得到应用广泛。介绍了乳化液水液压技术在煤矿支护装备中的应用,分析了其存在的污染、润滑和磨损等问题,并重点阐述了煤矿支护装备中核心部件煤矿水压三用阀阀芯微造型的相关研究进展,最后对煤矿水液压技术的发展趋势进行了总结和展望。     

基于改进灰狼算法的宏微复合驱动器磁滞模型的参数辨识

精确辨识磁滞模型参数是保证宏微复合驱动器位移跟踪精度的关键,针对传统灰狼算法（GWO）存在局部最小值和求解精度不高的缺陷,文章提出一种改进的灰狼算法（TGWO）。通过Singer混沌映射优化了灰狼个体的初始位置,以增加种群多样性;采用非线性收敛因子策略提高了局部开发度和全局搜索度;在种群位置迭代更新中引入动态权重更新和自适应更新策略。通过仿真和实验表明：该算法能有效可靠地辨识宏微复合驱动器磁滞模型的参数,平均相对误差为4.6%,拥有更高的精度和收敛性。     

同轴集成式宏微驱动器宏动结构的优化设计

以同轴集成式宏微驱动器为对象,以减小其宏动力波动值为目标,在建立其数学模型的基础上,采用COMSOL软件对其结构参数进行优化。通过仿真不同宏动位置时宏动力输出情况,得到5个不同参数对该驱动器宏动力稳定性的影响程度。利用正交试验方法设计出最佳的优化方案,并进行试验验证。结果表明：5个因素对宏微驱动器稳定性影响的强弱程度依次为永磁体厚度d_y、宏动线圈厚度d_x、气隙大小q、宏动线圈长度L_x、永磁体长度L_y;当d_y=4.5 mm、L_y=138 mm、q=5 mm、d_x=5 mm、L_x=107 mm时,宏微驱动器的输出性能最佳。