空间3-DOF全柔性微动平台的设计与分析

本文设计了一种空间3-DOF全柔性微动平台并对其进行了有限元仿真分析.基于Kutzbach-Gr bler公式对机构的自由度进行了计算;采用桥式位移放大机构作为微位移的放大机构,使微动平台的运动空间进一步扩大,并对桥式微位移放大机构的放大比进行了理论计算与ANSYS有限元仿真分析,理论计算与仿真结果的误差为;对微动平台利用ANSYS workbench进行仿真分析,其误差为;研究结果为以后柔性微动平台的设计与制造起到了积极的指导作用.     

压电驱动的桥式放大机构设计与优化

为了解决传统桥式放大机构的静力学建模中混淆了菱形结构和桥式结构的区别,以及忽略了刚性连杆变形的问题,通过欧拉-伯努利梁理论和能量守恒定律来计算放大倍数,使用ANSYS Workbench对各种理论模型计算的精度进行验证和对比。此外,通过径向基函数(RBF)神经网络模型和多岛遗传算法(MIGA)对桥式放大机构的参数进行优化。通过仿真分析结果表明,采用欧拉-伯努利梁理论与能量守恒定律计算的放大倍数与仿真值最接近,优化后的放大倍数增大了16.0%,固有频率增大了19.7%,可见所提出的理论模型和优化方法有效。     

基于杠杆的位移放大型黏滞阻尼墙试验

为了解决传统黏滞阻尼墙需要较大墙面积来提供足够阻尼力的问题,设计了一种基于杠杆的位移放大型黏滞阻尼墙.对传统黏滞阻尼墙和位移放大型黏滞阻尼墙的对比试件进行了滞回试验,检验了位移放大型黏滞阻尼墙的放大效果.将传统黏滞阻尼墙阻尼力公式中引入位移放大倍数,得到了位移放大型黏滞阻尼墙阻尼力公式,计算结果与试验结果吻合较好.对位移放大装置间隙导致的滞回曲线滑移现象进行了模拟,通过理论推导研究了间隙比对耗能降低率的影响程度.     

基于杠杆的位移放大型黏滞阻尼墙试验研究

为了解决传统黏滞阻尼墙需要较大墙面积来提供足够阻尼力的问题,设计了一种基于杠杆的位移放大型黏滞阻尼墙.对传统黏滞阻尼墙和位移放大型黏滞阻尼墙的对比试件进行了滞回试验,检验了位移放大型黏滞阻尼墙的放大效果.将传统黏滞阻尼墙阻尼力公式中引入位移放大倍数,得到了位移放大型黏滞阻尼墙阻尼力公式,计算结果与试验结果吻合较好.对位移放大装置间隙导致的滞回曲线滑移现象进行了模拟,通过理论推导研究了间隙比对耗能降低率的影响程度.     

压电谐波电机单级杠杆式位移放大机构的有限元分析

压电谐波电机是一种利用压电陶瓷驱动器、位移放大机构以及控制系统代替传统的波发生器的新型谐波电机.利用ANSYS软件对压电驱动器的单级杠杆式弹性铰链位移放大机构进行了有限元分析,得到了放大机构的变形及应力图,分析了影响位移放大倍数的因素以及改进措施.     

基于压电陶瓷的光学微扫描器及其有限元分析

研究基于压电陶瓷和柔性铰链的光学微扫描器及其放大机构的位移放大原理,分析单轴圆弧型柔性铰链性能,利用有限元方法对光学微扫描器的柔性铰链放大机构进行仿真.结果表明:柔性铰链的最小厚度值为圆弧半径的2倍时,微扫描器位移放大结构达到稳定位移,放大机构的放大率提高到压电陶瓷驱动位移的3.25倍,进一步验证了放大机构设计的合理性.     

全柔性微位移放大机构性能与参数关系

基于长柔性杆设计了一种新的微位移放大机构结构形式,根据推导出的力-位移关系及放大比关系分析了机构主要性能与机构参数的关系.通过一组实例的理论计算与有限元仿真,分析得到该机构主要结构参数对机构性能的不同影响效果.     

基于桥式放大机构的薄膜致动器设计

提出了一种基于桥式放大机构的柔性薄膜致动器设计.该设计采用桥式放大机构提高致动器位移输出特性,利用并联耦合连杆机构降低输出漂移.采用理想模型和弹性梁理论,对薄膜致动器的运动学特性与形变位移模型建模,深入探究机构位移放大比和输出漂移误差.中心旋转对称式的机构拓扑构型,降低热变产生的寄生位移.通过ANSYS有限元模拟以及样机实验,验证致动器机构设计和位移放大比.采用MEMS工艺设计的样机,最大输出位移为50μm,位移放大比为23.设计参数满足约束要求时,机构输出位移大小只与并联输入位移的均值相关,径向位移不会因输入位移大小的差异产生.     

一种微位移柔顺放大机构的优化设计

基于柔性梁的动刚度矩阵以及矩阵位移法建立了一种微位移柔顺放大机构的伪静态参数化模型.该模型可以对新机构进行快速化运动预测和参数化运动分析，并且可以得到位移放大率的解析模型.通过模拟退火算法优化结构的尺寸与形状得到了一种新的机构，它的放大率相比于原始构型增加了9%且固有频率为409Hz，与有限元结果对比相对误差小于2%，验证了模型的准确性.分析了在负载与输入位移共同作用下新机构的放大率变化规律以及结构关键节点处的加工误差对输出位移的影响.结果表明，模型顶点与输出端的X方向加工误差对输出位移的影响最大.     

柔性铰链微夹持机构的位移放大倍数计算

《西安交通大学学报》2004年第5期发表的《柔性铰链微夹持机构的研究》一文中，对所设计的柔性铰链微夹持机构进行了研究，由于理论计算中将柔性铰链视为理想铰链，导致计算的位移放大倍数与实验数据存在很大的出入实际上只需用材料力学的基本理论以及文献[1]给出的柔性铰链计算公式，即可准确地计算出该夹持机构的放大倍数，具体分析如下。     

新型3-DOF柔性并联微操作平台的研究

根据杠杆原理设计的新型二级杠杆放大器,在此基础上基于3-PRC并联机构提出一种具有空间解耦的新型三维移动并联柔性微位移放大机构.该机构由三个相同的支链采用正交的方式与动、静平台相连,以压电陶瓷作为驱动装置并内置在二级杠杆放大器中,能够使机构实现微纳米级的运动.通过理论计算和仿真分析对新型二级杠杆放大器和并联柔性微位移放大机构进行了研究,结果表明该机构具有良好的运动解耦性和较高的精度.     

微/纳传动平台沿坐标轴运动分析的键合图法

采用柔顺机构学、材料力学、伪刚体法、卡氏定理及键合图基本理论,结合6自由度微/纳传动平台的工作原理,建立了桥式放大机构及微/纳传动平台的伪刚体模型及该平台沿坐标轴移动的键合图模型,推导了桥式放大机构的输出刚度方程、平台移动的特征方程及状态方程.通过Matlab/Simulink求解仿真分析,获得了该平台沿坐标轴移动的位移仿真曲线及柔性铰链角位移仿真曲线.应用Ansys13.0,对该平台进行了运动仿真分析,搭建了实验平台,进行了试验测量,并对Smulink仿真值、有限元分析值及实验值进行了对比分析,其结果变化规律基本一致,验证了利用键合图方法分析微/纳传动平台移动特性的正确性及可行性,为全柔性机构的研究提供了新的有效的方法.     

用转移电导计算BJT放大电路的电压放大倍数及对该问题的思考

BJT放大电路在静态电流较小时可以用转移电导计算其电压放大倍数。文中通过理论分析给出几种基本组态的BJT放大电路用转移电导计算电压放大倍数的公式,并通过实验实测出的电压放大倍数与理论计算出的电压放大倍数完全一致。因此可以引出在一定条件下把BJT也能看成是电压控制器件的结论。     

菱形微位移压电作动器的输入输出线性建模

针对某定位装置的位移输出问题,研究了一种新型菱形微位移压电作动器,该压电作动器包括压电陶瓷、菱形微位移放大机构以及柔性铰链部分。对菱形微位移放大机构的放大系数进行了分析,发现该放大机构具有把压电堆的原始位移输出从30μm放大到100μm的能力,放大倍数与菱形环自身夹角θ有关,并且在压电堆输出范围内为比例放大,这些结果可以为更大放大系数的菱形环设计提供依据。建立了该菱形微位移压电作动器输入输出关系的理论线性模型,并将线性模型的模拟结果与实验结果进行了对比,证明该压电作动器线性模型具有较好的精度,能比较准确地反映微位移压电作动器的输入输出关系。     

一种新型微位移放大机构设计与特性分析

基于柔性铰链的传导性,运用杠杆原理设计了一种全对称结构的二级微位移放大机构,该机构具有无附加方向上位移及运动精确等优点.建立了微位移放大机构的仿真模型和运动学模型,给出了工作原理;根据机构学原理推导出了机构位移放大比,运用ANSYS13.0对该机构进行有限元仿真,得出了实际输出位移、放大比及该机构的固有频率.放大比误差为7.46%;误差分析主要原因为在理论模型中采取简化分析,忽略了柔性铰链伸长变形导致的中心偏移,并且假设了除去柔性铰链外,其他的部分全为刚性.本文研究为微位移放大机构的实际生产提供了理论依据.     

前端开孔的大振幅柱型超声变幅杆

提出了一种前端开横向矩形通孔的柱型变幅杆.利用有限元方法计算了谐振频率下振幅放大倍数和输出端面位移分布,研究了孔尺寸对变幅杆谐振频率的影响并优化了孔尺寸,得到最大放大倍数,与传统变幅杆相比放大倍数有大幅提高.分析了优化前后变幅杆的应力.将变幅杆与换能器相连接,激光测振仪测试了振动系统的频率、振型、变幅杆的输出端面位移分布及相对于变幅杆输入端的振幅放大倍数,测试结果与有限元计算结果一致.测试结果还表明激励电压与变幅杆输出端位移具有线性关系.     

双柔性平台的设计与分析

利用桥式放大器设计了新型二维微动平台,通过桥式放大器的1/4数学模型和微动平台的1/4数学模型分别应用矩阵法和拉格朗日能量法计算出微动平台的放大比和固有频率理论公式.在Solidworks12.0下建立了实例的三维模型,导入ANSYS12.0中.并对实例进行有限元静力学和模态仿真分析,与理论结果进行比较,误差分别为0.8%和3.5%.误差产生的可能原因为理论计算时假设微动平台的其余部分是刚性的,只有柔性铰链是柔性的,并忽略了各杆的弹性变形和内部应力,同时把铰链简化为刚度为Kα的扭簧.这些计算将为以后的微动平台制作、优化提供理论依据.     

面向高精度放大比的微动机构设计与实现

以一种微位移放大模块为研究对象,提出一种以高精度放大比为目标的参数设计方法. 根据伪刚体模型法建立各柔性单元的变形协调关系,利用拉格朗日能量守恒原理推导出系统能量与柔性单元位移的对应关系,在此基础上采用系统能量均布原则使得结构参数关联化,实现了微位移放大模块结构参数的层递式设计. 同时应用有限元ANSYS软件对微位移放大模块进行仿真分析,对比分析表明该理论计算方法与软件仿真结果偏差为6.25%,为面向高精度放大比的微动机构参数设计提供了理论依据.      

基于硅隔离衬底的高深宽比微型杠杆机构研究

针对微机电系统微执行器输出位移小,不能满足实际工作需要的问题,设计了一种微型柔性杠杆位移放大机构,并用有限元方法对放大倍数及影响因素进行了分析.该机构不含任何旋转部件,利用单晶硅微梁的弹性变形来实现微位移的放大,采用深层反应离子刻蚀技术将整个机构制作在硅隔离衬底上,并把它置于40%的HF溶液中使其成功释放.对集成加工在同一衬底上的电热微执行器进行了性能测试,测试结果表明,在没有优化的条件下,加工的两级微型杠杆机构在14 V工作电压下的放大倍数为18.9倍,输出位移达到36μm,测试结果与仿真结果相吻合.     

六杆柔顺机构的伪刚体模型

设计了一种六杆柔顺机构,建立了该机构的伪刚体模型,伪刚体模型显示该机构由两个柔顺滑块机构串联而成.根据伪刚体模型对该六杆柔顺机构进行了变形分析,推导出六杆柔顺机构伪刚体模型的力-位移关系的一般理论计算公式,进而得到该机构实例的分析结果.用ANSYS软件对该设计实例进行了力-位移关系的有限元仿真分析,同时加工制造出该设计实例的实物模型并进行了实验测量.对理论计算结果、仿真分析结果和实际测量结果进行了比较,三种方法所得结果基本一致,表明了理论公式的推导与分析是正确的,仿真建模分析也是正确的,并且该实例的设计是可行的,达到了设计目的.