微纳米压电陶瓷驱动器的迟滞特性建模

为了高精度地测量微纳米压电陶瓷的驱动特性,研究了一种基于最优模板尺寸的改进图像块匹配位移测量算法;结合Preisach模型,建立了压电陶瓷驱动器迟滞特性模型.首先,研究了不同模板尺寸对位移测量精度的影响,得到了基于标准模板的最优模板尺寸;然后,介绍了Preisach模型用于压电陶瓷驱动器迟滞建模的原理;最后,使用纳米平台系统验证了改进的亚像素模板匹配算法和迟滞特性建模方法的有效性和准确性.     

微纳米压电陶瓷驱动器的迟滞特性建模

为了高精度地测量微纳米压电陶瓷的驱动特性,研究了一种基于最优模板尺寸的改进图像块匹配位移测量算法;结合Preisach模型,建立了压电陶瓷驱动器迟滞特性模型.首先,研究了不同模板尺寸对位移测量精度的影响,得到了基于标准模板的最优模板尺寸;然后,介绍了Preisach模型用于压电陶瓷驱动器迟滞建模的原理;最后,使用纳米平台系统验证了改进的亚像素模板匹配算法和迟滞特性建模方法的有效性和准确性.     

压电双晶片型冲击式直线精密驱动器及动力学特性

提出了一种以自由端带有集中质量的悬臂式压电双晶片作为驱动单元的新型冲击式直线精密驱动器．建立了基于Karnopp摩擦模型的驱动器动力学模型和仿真模型，利用Matlab采用4阶Runge-Kutta计算方法分析了驱动电信号频率、幅值对驱动器动态特性的影响，提出了压电双晶片型冲击式精密驱动器特定的定频调幅驱动方法．制作了驱动器样机，并进行了驱动器性能实验，实验结果表明，该驱动器具有结构简单、行程大、分辨率高等特点，特别是它的成本只是传统冲击式驱动器的1／100，因此具有广泛的应用前景．     

一种两自由度柔性机构的研究

柔性机构具有免装配、无摩擦、免润滑的优点,可实现微米级甚至纳米级的高精度,因此设计一种用于压电精密驱动的柔性机构具有重要意义。对柔性梁和柔性铰链的尺寸进行了理论设计,通过柔性机构的伪刚体模型分析了影响柔性机构输出特性的主要因素,利用有限元软件分析了不同受力状态下柔性机构的输出特性。     

三自由度纳米磨削微定位平台的运动学特性

为了克服精密平面磨床进给系统分辨率低而难以实现纳米级磨削加工的不足,设计了一台三自由度微定位平台来实现纳米定位和振动误差动态补偿.该微定位平台采用3个高刚度压电陶瓷驱动器并联驱动,3个弹性铰链实现动平台的导向,利用3个高精度的电容式位移传感器测量动平台的实际位姿.为了深入研究三自由度微定位平台的运动学特性,分别利用欧拉角和RPY角描述动平台的姿态并基于空间解析几何理论,建立了微定位平台的正、逆解运动学模型,得到了传感器测量值和压电陶瓷驱动点的实际位移输出值间的映射关系,分析了不同姿态描述之间的内在联系,并研究了微定位平台受到压电陶瓷驱动器伸长量限制时的可达姿态空间.试验验证了三自由度微定位平台的特性和所建模型的正确性.试验表明该微定位平台的z向最大位移为12μm,章动角随进动角的不同而变化,最大可达130μrad.     

压电陶瓷驱动器的力输出特性

目的研究压电陶瓷驱动器在不同条件下的力输出特性,为压电陶瓷驱动器力输出方面应用提供理论依据.方法首先,设计一种压电陶瓷力输出性能测试装置;然后,对预压力施加速度、施加预压力与电压的间隔时间、装置设计等外界因素对力输出特性影响进行分析;最后,使用最大输出力、平均迟滞度、最大曲线偏差值、曲线漂移量和曲线周期延迟量等多个评价指标,对PSt/150/4/7VS9型压电陶瓷驱动器在不同预压力、电压频率、循环工作、电压步长等条件下的力输出特性进行实验分析.结果压电陶瓷驱动器在150 N预压力和1 Hz的电压频率条件下输出效果最好,最大输出力可达到116.56 N,平均迟滞度为10.74%,曲线最大偏差为3.89%,曲线漂移量为-0.47 N;过多次循环工作会造成迟滞曲线的重复性变差和延迟累计增大现象;相同电压步长下,力输出增量随着起始电压的增大而增大.结论实验结果符合电畴翻转理论,且压电陶瓷驱动器具有力输出最佳工作条件.     

电压和压力载荷下圆形薄膜压电驱动器形变分析

薄膜压电驱动器驱动均匀气体压力载荷时具有不同的形变特征.根据基尔霍夫薄板原理,采用最小能量法和里兹法建立了圆形薄膜压电驱动器耦合均匀压力载荷条件下的静态形变模型.分别在电压驱动、压力驱动以及电压与压力共同驱动条件下,实验测试了驱动器的形变特征,并与计算模型对比,发现最大相对误差在9.3%以内,验证了模型的可靠性.基于建立的形变模型,分别讨论了驱动器压电层与弹性基层的半径比和厚度比对驱动器形变的影响,分析了均匀压力载荷条件下驱动器的形变特性.结果表明,薄膜压电驱动器存在最佳的半径比和最佳的厚度比,并且在均匀压力载荷下,驱动器半径比低于0.71时会明显导致驱动器的边缘处出现反向形变,不利于驱动.     

数控辅助超精密定位工作平台的研究

在超精密加工中,需要亚微米乃至纳米级的定位,而常规的伺服电机驱动、精密滚珠丝杠传动方案的定位精度一般只能达到微米级.为提高数控进给装置的定位精度,在原有伺服进给定位装置的基础上,总结现有微定位补偿机构设计的不足,提出新的闭环伺服精密微位移补偿控制方案,以显著减小数控伺服进给装置的定位误差.设计的压电驱动微定位工作台具有纳米级位移分辨率和定位精度,静、动刚度好.试验表明,本系统设计的10μm行程微定位平台能很好地补偿数控滚珠丝杠副定位偏差,实现超精密加工的超精密进给要求.     

用压电陶瓷实现精密工件台的微定位控制

以压电陶瓷微位移原理为基础，对精密驱动技术在精密定位工件台上的应用作了实验研究。设计了一个包括高压精密可调电源、压电微位移驱动器、作为反馈元件的光栅干涉仪、以及由ＩＢＭＰＣ机和单片机组成的控制系统。     

基于PZT-Si的MEMS微驱动器的设计与仿真分析

设计了一种基于PZT和Si的蟹爪型MEMS微驱动器,该具有结构简单,响应速度快,输出位移大的特点。为了进一步优化结构、提高使用性能寿命,本文根据微驱动器的结构特征,建立了直流电压下PZT蟹爪梁的的力-电耦合数学模型,得到了驱动电压与变形量的关系曲线。采用数值模拟方法开展了压电层材料、厚度等等参数对微驱动器驱动性能的影响研究,研究表明：相对于压电层厚度和输入电压的影响,压电材料性能是系统稳定性的主要影响因素。以弹性柔顺系数相对较低的“硬陶瓷”PZT-4作为压电层时,微驱动器的稳定性增强但驱动响应有所降低;而当选用弹性柔顺系数相对较大的“软陶瓷”PZT-5和PZT-5H作为压电层时,微驱动器的驱动效应增强而稳定性降低。在此基础上,对微驱动器的结构参数进行了优化分析,确定了蟹爪梁结构参数的最优组合, 为微驱动器的设计和改进提供了理论指导。     

基于PZT-Si的微机电系统微驱动器的设计与仿真分析

设计了一种基于PZT和Si的蟹爪型MEMS微驱动器,具有结构简单、响应速度快、输出位移大的特点。为了进一步优化结构、提高使用寿命,根据微驱动器的结构特征,建立了直流电压下PZT蟹爪梁的的力-电耦合数学模型,得到了驱动电压与变形量的关系曲线。采用数值模拟方法开展了压电层材料、厚度等参数对微驱动器驱动性能的影响研究,研究表明:相对于压电层厚度和输入电压的影响,压电材料性能是系统稳定性的主要影响因素。以弹性柔顺系数相对较低的"硬陶瓷"PZT-4作为压电层时,微驱动器的稳定性增强但驱动响应有所降低;而当选用弹性柔顺系数相对较大的"软陶瓷"PZT-5和PZT-5H作为压电层时,微驱动器的驱动效应增强而稳定性降低。在此基础上,对微驱动器的结构参数进行了优化分析,确定了蟹爪梁结构参数的最优组合,为微驱动器的设计和改进提供了理论指导。     

基于刚架的压电驱动器驱动力试验研究

压电材料是一种新型智能材料,利用压电材料制成的压电驱动器具有良好的主动驱动效果.据此开展了基于刚架的压电驱动器驱动性能的试验研究.研究表明,压电驱动器的驱动力与输入电压大致呈线性关系,增加预紧力能在一定程度上提高驱动器的驱动力.在试验的基础上,应用数据分析软件,对压电驱动器的驱动力与输入电压之间的理论关系进行了数据拟合,建立了"驱动力一电压"控制方程.研究成果可为实现基于压电驱动器的智能结构主动控制提供基础数据.     

高频热声制冷机中的压电驱动器

为了研究压电驱动器与热声谐振腔间的耦合特性,建立了压电驱动系统的网络模拟模型。根据压电片的简支和固定两种边界条件,对压电驱动器及(热)声谐振腔声负荷系统的频率和电压特性进行了模拟计算。研究结果显示在高频时系统元件间的耦合特性较低频时好,具有简支边界的压电片产生的声压级比固定边界的要大得多,声压级随输入电压的变化特性计算与实验是相一致的。该模型可用于热声制冷机中压电驱动系统的特性分析。     

无阀微泵压电特性分析及性能测试

提出了一种用于微量试剂分析的压电驱动微泵模型.该微泵模型采用压电阵子驱动、硅基泵体以及聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）封装而成.对压电阵子振动模态进行有限元分析,得出1~4阶模态及驱动频率,使微泵容积效率为最大的应为1阶模态.通过对微泵压电 应力耦合场进行数值分析,得出微泵最佳驱动频率范围应小于1 kHz.最后,采用微系统加工方法制作出微泵模型,并对其性能进行测试.结果表明：电压为100 V(p-p)的正弦波驱动下,频率为60和200 Hz时,微泵流量最大达到34.5 μL/min,而当频率在60~600 Hz时微泵压力最大达到657 Pa,与数值分析结果相吻合.     

地震三要素对拱桥能量响应的影响

运用能量方法分析了不同地面运动作用下地震三要素(幅值、持时、频谱特征)对拱桥总输入能量、阻尼耗能、滞回耗能总量分配比例的影响.研究结果表明:拱桥结构的总输入能、滞回耗能和阻尼耗能随地震动幅值的增大而增加,尤其是滞回耗能增长更快;拱桥的总输入能,滞回耗能和阻尼耗能随着地震反应持时的增加而增加,且呈线性变化趋势,但阻尼耗能较之总输入能和滞回耗能增速较小;相同加速度峰值条件下,输入频率集中且震荡幅值较大的地震波,地震输入能、滞回耗能、阻尼耗能相应较大.     

基于电容微位移传感器的大载荷微动台的研制

在超精密光学工程等领域,为了满足大质量部件的超精密进给定位应用需求,设计并研制了一种大载荷的纳米定位平台。该纳米微动承载台采用双闭式气浮导轨,由压电陶瓷致动器结合柔性铰链提供驱动,通过电容微位移传感器实时监测终端承载台位移并实现闭环反馈控制,有效地克服了压电陶瓷致动器的非线性影响因素,并消除了系统由于形变或应力释放等因素产生的不确定性干扰。在传统纯柔性铰链传动机构上增设了双导轨气浮承载台,显著增强了系统的载荷能力,气浮均化效应也提高了系统进给运行的直线性,双压电推拉式驱动方式提高了系统结构刚度,电容微位移传感器取代双频激光干涉仪或电阻式位移传感器的应用,降低了系统运行尤其是测量系统对环境条件苛刻的要求,也保证了平台进给的定位精度和长期稳定性。在载荷为100 kg情况下,定位精度达±2 nm,行程大于10μm。实验结果表明,大载荷纳米微动台能够满足大质量部件的纳米级超精密定位需求。     

压电驱动型电液伺服阀前置级驱动器实验研究

针对电液伺服阀电磁式前置级驱动器频响低的问题，提出了一种压电驱动型电液伺服阀前置级驱动器，该驱动器以压电叠堆(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．研究表明，该驱动器具有线性良好、高分辨率、高频响等特点，由有限元分析得到的固有频率达到了1．201kHz，实际测量的固有频率为1kHz。     

基于单片机控制的压电陶瓷变压器驱动电源

以单片机及其控制电路为基础,设计了压电陶瓷变压器驱动电源,该电源为压电陶瓷变压器提供特定的振荡信号,根据压电陶瓷变压器的输出信号,适时调整输入频率,使其与压电陶瓷谐振频率一致,最大限度地保持了压电陶瓷的升压比,保证了压电陶瓷变压器的最大输出。实验数据表明,利用该驱动电源控制的压电陶瓷变压器,具有响应速度快,稳定性好,结构简单,调试方便,造价低廉,实用性强等特点,适用于压电陶瓷驱动器。     

基于绝对节点坐标法的压电驱动复合结构动力学特性

软体机器人的驱动一般由较硬的驱动元件与柔性介质复合而成,两相材料耦合大变形的精确描述是驱动部件结构设计与运动控制的关键.针对复合柔性板结构大变形的特点,基于绝对节点坐标方法,通过变形协调条件将梁和板单元进行耦合,同时引入压电驱动材料本构方程,建立带压电材料驱动器的复合柔性板结构动力学模型,并对其动力学特性进行分析,以研究不同参数对该动力学模型的影响.结果表明:柔性悬臂板结构在压电驱动作用下产生弯曲变形,变形量及板末端位移随驱动电压的增大呈近似线性增大规律,且板结构弹性模量越小则该变形量增大的程度越大;随着弹性模量减小,板结构产生的周期性振动幅度增大,周期变长.     

基于粘-滑摩擦力模型的微型压电驱动器动力学分析

提出了一种新型的靠摩擦力驱动的微型压电驱动器，采用粘一滑摩擦力模型对其进行了动力学分析．通过对比仿真结果和实验结果，得出了不同驱动信号下的驱动器动力学特性；改变驱动信号的频率和幅值，能够控制驱动器的运动方向和速度．仿真结果与试验结果吻合较好，证明该摩擦力模型能够对驱动器进行较为精确的理论分析．