压电步进式驱动器研究现状及趋势

压电步进驱动器是一种利用仿生工作原理,采用"箝位-驱动-箝位"的方式运动的精密驱动器。本文介绍了一些国内外一些典型的压电步进驱动器的结构、原理、特点和应用。     

超磁致伸缩-压电直线式蠕动机构的设计

为研制大行程高精度进给机构,基于蠕动运动原理,以超磁致伸缩微驱动器为驱动元件、嵌入柔性铰链中的压电陶瓷驱动器与V形导轨配合为箝位方式,研制了超磁致伸缩压电直线式蠕动机构样机,并利用计算机对其运动进行了闭环反馈控制。运行测试结果表明,该机构能够稳定地蠕动步进和后退,位移重复定位精度可以达到±15nm。     

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.     

尺蠖型压电旋转驱动器钳位特性分析

采用MSC.Marc有限元软件的接触分析模块,对钳位过程中钳位块与转子的微观接触过程进行了研究,通过对钳位机构与转子间接触力学问题的分析,以及对转子接触摩擦状况的实验测试,提出了采用大钳位接触面的钳位机构方案.实验表明,采用大钳位接触面的尺蠖型压电驱动器在保证驱动器运动分辨率、运动稳定性的基础上,其承载能力比小钳位接触面的同类驱动器提高了2倍,大接触面钳位机构不仅有利于降低驱动器的局部磨损,而且还提高了驱动器的使用寿命.     

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．     

六自由度磁浮微动台电磁场建模与计算

为了提高光刻机工件台中微动台的运动精度和加速度,设计了一种将支承和驱动在同一电磁单元中实现的新型Lorentz电机驱动、磁悬浮支承、并联、6自由度微动台结构,应用解析方法建立了微动台磁场模型和特定结构约束下的磁场分布。对微动台电磁力-位移特性进行了分析。采用数值方法计算了微动台电磁单元绕组损耗引起的温升。结果表明:该微动台具有驱动力大、结构简单、散热方便等优点,可为我国自主产权光刻机微动台设计提供参考。     

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。     

共振式压电驱动器分析及实验研究

推导了压电陶瓷等效刚度和驱动力的表达式.考虑胶层及预压弹簧的影响,将压电陶瓷简化为等效驱动力作用下的弹簧,设计了共振式压电驱动器.建立了共振式电驱动器的动力学模型,并进行了共振式压电驱动器原理性实验验证.实验与理论分析结果误差在10％以内,结果表明等效弹簧模型在低频范围内能够较为准确地模拟压电陶瓷的动力学特性.共振式压电驱动器可以显著放大压电陶瓷的位移,克服压电陶瓷输出位移小的缺点,有较为广阔的用途.     

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。     

“电脑编织机用压电驱动器的材料与结构”项目通过鉴定

上海大学材料学院研制的“电脑编织机用压电驱动器的材料与结构”通过由市教委组织的专家鉴定.压电驱动器作为机电一体化器件在设备小型化、智能化等方面有独特的作用.该项目组研制的电脑编织机用压电驱动器是微继电器的替代产品.编织机使用的驱动机构是一个阵列(每一根针需一个驱动器),每台编织机至少有250～500根编织针,大型的甚至达800根针.原先采用的微继电器不仅结构复杂、体积大,而且可靠性较差,能耗也较大.而压电陶瓷驱动器体积较小,在脉冲电压驱动下发生弯曲,且应变能维持相当的时间(-5s),而且在2kHz以下,其频率响应相当好.在低电…     

微机械中新型压电微电机致动机理分析

给出了一种结构简单、易于微型化的新型压电微电机,研究了其致动机理．利用压电学和振动学理论分析了定子各部分及系统的振动位移微分方程;借助于弹性力学和振动分析理论,在分析新型压电微电机的基础上,建立了压电微电机运动学和动力学模型．该模型可用于压电微电机运动过程实验和压电微电机的优化设计中．     

平板式压电四维力/力矩传感器的研究与开发

针对弹性体式多维腕力传感器存在的瓶颈矛盾,提出了一种新型平板式压电四维力/力矩传感器。介绍了传感器的结构和工作原理,讨论了石英晶片组的选型和空间分布形式。推导出了传感器的数学模型,建立了传感器的有限元模型,并加工出了传感器实物。得到了传感器力/力矩输入与电压输出之间的关系曲线、电压灵敏度、电荷灵敏度、维间干扰等重要指标。结果表明:传感器结构简单合理、数学模型正确、加工工艺性好、线性度好、刚度高、固有频率大于30kHz、未使用退耦矩阵时的维间干扰小于3%。满足传感器的设计指标。     

垂直驱动式压电振动送料器的设计

利用环形压电陶瓷微位移和大输出力的特点,设计了一种垂直驱动的新型结构送料器,分析了该结构送料器的工作原理并建立了整个振动系统的动力学模型.通过理论分析,确定了系统振动模态、振幅、固有频率和物料运动状态等决定送料器性能的重要参数.通过样机制作和实验测试得到了系统固有频率的分布曲线以及振幅与输送速度的关系曲线.实验结果表明,样机的最佳工作频率为195Hz;滑动输送振幅区间为17~27μm,输送速度可达到123.5mm/s;抛掷输送振幅区间为27~32μm,输送速度可达到140.5mm/s.与同型号悬臂梁式压电振动送料器相对比,该送料器性能有所提高、结构空间更紧凑,可以满足工业生产的使用要求.     

基于压电模态响应智能识别结构的动态荷载

基于对智能层合板结构的模态分析，提出由结构的压电模态响应反演瞬态荷载时间历程的有限元方法，介绍了压电模态传感器的实现原理，并给出了由实测压电单元输出得到结构模态响应的计算公式，采用无条件稳定的精细逐步积分法求解结构的模态动力学微分方程，构造了通过结构的模态响应反求荷载列阵的迭代算法，该方法作为动态激励的压电模态响应易于实时监测，迭代过程简单可靠、计算速度快、识别精度较高，适用于任意形状和边界条件的复杂型智能结构，实例表明了该方法的可行性。     

压电石英晶体生物传感器及其应用

压电石英晶体生物传感器是一种将高灵敏压电传感器与现代生物技术相结合的新型生物传感器，适用于微量物质的精密测量。本文介绍这类传感器的基本原理、结构及其应用，并展望了压电石英晶体生物传感器的发展趋势。     

An in-pipe micro robot actuated by piezoelectric bimorphs

A novel in-pipe micro robot providing stable and accurate locomotion inside a tubular structure with diameters ranging from 16 mm to 18 mm is presented in this paper. Driven by impulsive voltages, deflections of the piezoelectric bimorphs are generated and then converted into translational locomotion by the principle of the Impact Drive Mechanism （IDM）. Theoretical analysis of the proposed system is performed based on a simplified mechanical model. Then dynamic simulations of the dynamic behavior are performed. Finally, an experiment is conducted to investigate the moving ability of this device. The results demonstrate that a maximum translational velocity of 3.5 mm/s can be obtained under an im- pulsive driving voltage with peak value at 50 V and frequency of 1100 Hz. Both theoretical analysis and experimental trials prove that the principle of IDM actuated by piezoelectric bimorphs is feasible and robust for achieving accurate locomotion of the micro robot in pipes with diameters of less than 20 mm.     

利用一次正、二次逆压电效应设计可作动传感器研究

进行了一次正压电效应、二次逆压电效应的理论分析与实验验证.理论与实验均证明.压电体通过一次正压电效应产生的电位移,及通过二次逆压电效应产生的应变与应力均与施加外力具有良好的线性关系.由于一次正、二次逆压电效应是在同一压电体内存在的双向效应,其原理特别适合于传感器、执行器集成一体化的研究.因此,利用压电体的一次正压电效应可以测量外力,作为传感器使用;同时利用该压电体的二次逆压电效应可以输出一个微位移.作为执行器使用.提出了利用该原理设计"可作动传感器"的实现方案.并证明了其可行性.     

数字式压电石英加速度传感器的支撑结构研究

 介绍了数字式压电石英加速度传感器的工作原理并用材料力学和弹性力学方法研究了其支撑结构,得出了结构的力转移系数,并与实验结果进行了比较.实验表明,支撑结构的理论推导与实验结果一致.     

压电分流阻尼系统的重置开关控制

对于具有压电分支电路系统的结构提出一种新颖的重置开关控制方法，建立了基于能量释放的控制律来减小系统的总能量：当电路中电感储存的能量达到最大值时，将电路开关短时断开并释放电感储存的能量，当电路开关再次合上后，电感无能量回传给被控结构，从而减小流入被控结构的能量，保证了控制系统的稳定性．对一个悬臂粱的数值研究表明，重置开关控制方法对结构的振动具有明显的控制效果，而且其抑制脉冲响应的性能要优于被动压电分流阻尼技术，对环境和系统参数变化的敏感性比被动压电分流阻尼技术的小．     

集成三维力传感器的微夹持器设计与试验 

设计了一种集成三维力传感器微夹持器,通过压电陶瓷堆驱动和柔性铰链放大来实现夹持动作.微夹持器的弹性体为2个L型结构,对L型结构进行了优化设计和受力仿真分析,在2个L型结构的相应敏感部位分别粘贴3组应变片对空间三维力进行测量.通过试验验证了微夹持器的合理性和实用性.
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