基于FEPG的压电复合结构动态问题求解

基于有限元程序自动生成平台FEPG,建立了压电类复合结构动态问题六个未知场的有限元控制方程,通过编写元件化程序,对纵弯超声电机定子的激振响应进行了求解,实现了对压电类结构动态问题的透明计算,结果表明该方程可以用于压电类问题计算,为研究压电陶瓷在大功率驱动下的非线性本构模型,开发求解超声电机压电复合定予问题的专用有限元程序奠定了基础.     

分组对称旋转周期结构固有频率分裂解析分析

针对工程领域广泛存在的一类分组旋转周期结构开展了解析动力学研究.提出了一种利用等效对称单元判别固有频率是否分裂的简便方法.采用直接摄动法研究了对称单元分布对模态特性的影响,揭示了等效对称子单元的分组方式与固有频率分裂之间的映射关系.该映射关系提供了一种抑制固有频率分裂的对称单元拓扑调整方法.该方法可用于超声电机和陀螺仪等对固有频率分裂敏感的重要领域.仿真结果验证了固有频率分裂规律的正确性.     

柱面行波超声电机机构及理论研究

本文提出了柱面驱动行波超声电机,利用压电陶瓷的逆压电效应激励出圆柱壳体沿圆周方向的非轴对称振动模式,壳体沿轴向振动是同步的,避免了定子上各驱动质点与转子间接触的不均匀性。给出了该电机定子上压电陶瓷的极化、分布及驱动方式,设计了电机的固定及施加预紧方式。采用有限元分析软件ANSYS9.0对压电陶瓷和壳体构成的定子结构进行了模态及瞬态分析,确定电机定子各尺寸参数。测试电机机械输出特性指标为：最大空载转速：64r/min,最大转矩：1.8N.m。     

纵扭型压电超声电机的摩擦特性仿真研究

建立了纵扭复合型压电超声电机输出扭矩的数学模型 .根据模型讨论了预压力Fpre、纵振激振电压VL、扭振激振电压Vt、摩擦力f、电机的输出扭矩Mout、转子转速ωR 和扭振子振动速度ωV 等的关系 .在实验中发现 :电机的最大输出扭矩并不总是随扭振激振电压Vt 的增大而增大 ,当扭振子输入电压达到 30 0V以后 ,电机的最大输出扭矩不再增加 ,而是有一最大值 ,当扭振子输入电压达到 35 0V时 ,电机的最大输出扭矩达 1N·m .可用上述模型解释这种现象 .模型的仿真结果和实验结果相对吻合     

多自由度超声波电机及其转子支持机构研究

应用有限元方法,设计和制作了一种能实现机器关节的多自由度超声电机.给出了一种正交轴承法转子支持机构,用于实现转子在机器手指关节中的应用.该电机定子由一个压电多层纵振子和一个夹心式弯曲振动换能器组成.多层振子较低电压下可在竖直方向产生较大振动位移.夹心式弯曲振子由两个纵向振动压电片和四个铜电极组成.在夹心振子上施加具有一定相位差的电压信号,会产生两个相互正交的弯曲振动.通过激励定子3种不同振动模式,可驱动位于定子表面的转子产生多自由度转动.测试结果表明:以多自由度超声电机作为驱动源,采用正交轴承法转子支持机构,可以有效增加机器手指关节的运动自由度.     

压电陶瓷基础激励下激振幅度的标定方法

研究了压电陶瓷基础激励下激振幅度的标定方法,来准确获得它的激振幅度大小.首先,提出了一种简便而又可靠的幅度标定方法,并建立了压电陶瓷基础激励下的悬臂梁动力学模型.然后,在明确其标定原理的基础上,采用理论和实验相结合的方式来解决压电陶瓷基础激励下激振幅度的标定问题,并详细叙述了标定的方法及流程;最后,利用该方法对一款PZT陶瓷的基础激振幅度进行了标定,证明了方法的有效性和实用性.     

大力矩行波超声电机的性能

研制了一种新结构、大力矩行波型的超声电机。该超声电机中,压电片被粘接到金属体上构成振动体,作为转子,并与外壳接触。电机的外壳兼作定子。通过转子、定子之间的摩擦力驱动转子转动。这种电机结构除减少了单独的转子部件外,还提高了超声电机的力矩输出性能。利用有限元方法对电机的转子进行优化设计,计算了直径100mm的行波超声电机的转子的模态。根据设计制作出样机。并对样机性能进行了测试,堵转力矩超过了4N.m。该电机具有重要的应用前景。     

具有模态解耦构型的纵弯直线超声电机

为减小纵弯直线超声电机的模态间耦合效应,提高电机的控制性能和效率,研制了一种新构型的模态解耦型超声电机.该电机采用兰杰文换能器结构,压电陶瓷布置模式为:纵振压电陶瓷置于电机中部,弯振压电陶瓷置于电机纵弯振型的波腹处.利用有限元模态分析方法,通过调整结构参数对电机纵弯固有频率进行调谐使其趋于一致.对样机的阻抗特性分析和多普勒激光测振结果显示:纵弯模态间耦合程度明显降低,其典型机械输出特性中最大速度为920mm/s,最大推力为45N,指标优于在基本尺寸和激励条件相近前提下的非解耦构型的480mm/s和25N.     

振动片式压电电机定子的实验

为了电机结构的紧凑性,考虑无变幅杆定子的设计方案,设计制作不同结构振动片式压电电机,所设计电机的定子由压电换能器和振动片组成.通过对不同结构形式定子的样机的有、无变幅杆,以及不同倾角振动片电机输出特性的进行对比实验与分析.结果表明,振动片倾角值存在一个最优的匹配范围,而预压力存在一个最佳值;当电机尺寸较小时,可以省去变幅杆部分,使电机结构更加紧凑;振动片式驻波型压电电机在一定的条件下具有反转效果.     

压电陶瓷激振器定频激振能力的评价方法

提出了评价压电陶瓷激振信号的线性度指标,并基于自主研发的压电陶瓷激励反馈系统,对一款PZT陶瓷进行了实验研究.在分析其激振力的影响因素及影响规律的基础上,提出了压电陶瓷定频激振能力的评价方法.由实验数据建立了评价方程,得到了其定频激振的频率置信区间,使其可以更好地被应用到板壳类薄壁构件的高阶振动测试研究中.研究结果表明,压电陶瓷定频激振能力的总体特点是在低频状态下可实现高幅定频激励,而高频状态下仅能实现低幅定频激励.     

压电探针应用于原子力显微镜液体成像的研究

研究了采用微悬臂梁上集成的ZnO压电薄膜作为微驱动的探针的直接激振方法,比较了间接激振和直接激振方法下探针在液体中的振动性能,以标准生理溶液中的海拉细胞为样品,对原子力显微镜在液体环境下轻敲模式的成像性能进行了实验研究.研究表明,采用压电探针的直接激振方法在探针振动的幅频曲线中仅有单一谐振峰,可以避免在压电陶瓷管激振方法下由液体振动造成的寄生谐振峰,因此使用压电探针不仅提高了探针振动频率的控制精度,而且减小了针尖对样品的损坏,还提高了仪器的带宽和成像速度.对于512×512点阵和60μm×60μm范围的图像,使用该方法可将采集速度由原来的2~3 min/帧提高到15~20 s/帧,并且扫描速度的提高对原子力显微镜在动态过程中的研究有着重要的参考价值.     

一种踝关节阻抗精准检测装置

为检测踝关节机械阻抗,提出了一种简易的踝关节机械阻抗检测装置,通过两个弹性模块和一个扰动电机的配合实现了踝关节机械阻抗的测量.弹性模块为踝关节提供静态支撑力矩,大幅降低装置刚度,减小了提供随机激振所需的力矩负担,弹性模块的形变反映了轴上的转矩.弹性模块与扰动电机配合,将电机的位置控制间接转化为转矩控制,实现了随机激振和随动两种电机控制模式.通过验证性实验检验证明该装置可估计踝关节的阻抗参数,将该装置用于人体踝关节机械阻抗的测量,获取了一组实验者踝关节阻抗数据.     

永磁直流电机定子的振动分析

永磁直流电机的定子振动具有鲜明的特性,对它的分析对于分析其他各类电机的振动具有借鉴作用。该文用解析法分析了电机内的磁场和径向电磁激振力,从物理概念上定性解释了直流电机振动的特征。特别地,指出永磁直流电机槽频电磁激振力的阶数与定子振动形态的空间阶数不同。为准确计算电机振动,利用电磁场有限元仿真了电机内的磁场与电磁力分布,并采用结构场有限元对定子振动进行了仿真。针对试验测试,指出为得到定子振动形态特征,需要在定子上测量足够多的测点。并在一台实际的直流电机上进行振动测试,试验结果与仿真结果相符。     

双振子型直线超声电机

为提供驱动精密直线进给系统所需要的低速大力矩超声电机,提出了一种双振子型直线超声电机,该电机由2个对称的利用弯曲模态作为工作模态的摇头型振子组成,每个振子包含一个压电堆--它由4片夹心PZT-4压电陶瓷片组成.研究确定了柔性支架安装位置.然后,通过仿真计算选取该电机工作模态为三阶弯曲振动B3模态.经过模拟电机工作环境并对电机进行工作测试,可得出该电机在小预压力情况下,电压峰峰值Up-p为311 V时测得最大空载速度v0为704 mm/s;预压力F0为12.69 N、 Up-p为226 V时,堵转力F为2.1 N.测试结果表明该电机基本满足驱动精密直线进给系统的要求.     

超精密切削用刀具超声激振机构的设计

该文设计一种基于夹心式压电陶瓷结构的刀具超声激振机构,用于超声振动辅助金刚石刀具进行超精密切削。通过分析超精密切削技术需求,提出了激振机构结构设计方案,进行了解析设计和有限元仿真分析,制作出激振机构,进行了性能测试,并开展了超声振动辅助切削的可行性实验。研制的激振机构可实现频率42.0kHz、振幅峰峰值8μm的超声激振,并在超声振动辅助金刚石刀具超精密切削中表现出良好效果,切削模具钢工件端面达到表面粗糙度Ra 0.018～0.05μm。     

基于板梁扭转振动控制阻尼的压电片拓扑形状设计

针对悬臂板扭转振动主动控制问题,研究了以扭转阻尼为目标的PZT压电片拓扑形状优化技术,给出了反馈控制阻尼系数及其灵敏度计算公式,并采用渐进结构优化设计思想对压电片的拓扑形状进行了优化设计.仿真和分析结果证明了压电片拓扑形状优化设计对抑制扭转振动的有效性.     

超声波电机的应用领域拓展

超声波电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应使定子产生超声振动，并通过定子和转子间的磨擦来驱动转子运动的新型电机，工作原理不同于传统的电磁电机。本文简单介绍了超声波电机的发展历史及到目前为止超声波电动机的应用研究，并在此基础上指出超声波电机的发展方向。     

超声电机驱动的微夹持器的机械漂移机理研究

针对直线超声电机驱动的微夹持器操作末端的机械漂移问题,从直线超声电机以及微夹持器整体结构出发,研究机械漂移的产生机理以及控制方法.首先通过建立电机的力学模型分析直线超声电机产生机械漂移的机理,重点讨论了电机定子左右两边弹性夹持结构在电机停止运行后发生的刚度衰减率不一致对机械漂移的影响;然后根据模型研制直梁型夹持直线超声...     

纵振复合双足直线超声电机

为了有效提高超声电机的机械输出性能,研制了一种纵振复合双足直线超声电机.该电机由两个竖直纵振换能器和一个水平纵振换能器组成,水平纵振换能器上变幅杆末端小端面与竖直纵振换能器变幅杆大端侧面结合,且变幅杆为采用一整块硬铝合金加工而成的一体件.对电机的工作原理进行了分析,利用有限元方法对电机进行了设计与仿真,实现了电机两个基本振动模态特征频率的简并.采用多普勒激光测振仪对样机振动特性进行了测试,测试结果与有限元分析结果吻合良好.机械输出特性测试结果表明,样机最大速度为602 mm/s,最大推力达32 N.     

单振子激励的面内行波旋转超声电机原理

提出了一个单振子激励的面内行波旋转超声电机原理.该电机具有一个连接一个杆形振子的圆环形定子和两个锥形转子,锥形转子由预压力机构压在定子圆环的内边缘.杆形振子为夹心式结构,两组压电陶瓷固定在其中.一组用于激励杆的纵向振动;另一组用于激励杆的弯曲振动.有限元仿真表明: 在杆的纵向振动和弯曲振动共同作用下,定子环上形成了面内行波.利用这个原理制作的样机具有如下性能:空载转速36 r/min,堵转力矩0.25 N·m,起动时间2.53 ms,关断时间3.48 ms.该型电机的定子利用了一个振子激发定子环面内行波,结构简单、紧凑,可望用于机器人关节和一些姿态调整机构的驱动.