超精密微量进给机构的设计原理与实验研究

本文对机床进给系统的定位精度问题进行了理论分析导出了表征进给系统定位精度的理论公式,提出了精准微量进给机构的若干设计原则。在此基础上,进行了精密级和超精密级微量进给机构的实验研究,研制成功精密级外圆磨床轴向微量进给装置和超精密级车床弹性变形微量进刀装置。     

直线进给系统负载质量对伺服动刚度影响的研究

为了研究负载质量对直线进给系统伺服动刚度的影响,建立直线电动机进给系统控制模型,利用Matlab软件对模型进行仿真,分析负载质量对直线进给系统伺服动刚度的影响规律,并结合直线进给实验装置进行验证,在此基础上提出相应的改进措施。     

数控机床进给系统仿真研究

进给系统是整个数控装置的重要组成部分,建立进给系统各组成部分的传递函数,并利用Simulink建立了进给系统三环结构的仿真模型。在研究P-I控制器和I-P控制器的结构基础上,对基于该2种控制器的进给系统模型进行仿真比较和验证。     

数控机床进给伺服系统故障仿真

进给伺服系统是整个数控装置的重要组成部分.由于它出现故障的机会相对多一些,而且进给伺服系统故障所造成后果也比较严重,轻则停机,影响加工精度,重则会严重损坏机床.通过分析数控机床进给伺服系统各部分的传递函数,建立了数控机床进给伺服系统的数学模型,并利用Simulink/MATLA日仿真软件建立了进给伺服系统的仿真模型.后利用此仿真模型·对进给伺服系统部分典型故障案例进行了仿真研究和故障分析.仿真结果对数控机床位置伺服系统故障机理进行研究,利用Matlab软件进行仿真模拟是一条有效的途径.     

基于压电陶瓷的超精密进给系统的设计与分析

超精密进给系统是保证零件尺寸加工精度的重要因素.文中以压电陶瓷作为驱动器构建了微位移机构,讨论了系统的总体结构,研究和分析了系统模型和控制方法,通过实验计算得到前馈控制模型数据,并在此基础上对超精密进给闭环控制系统进行方案设计.最后进行了超精密进给系统在磨床上的应用及其性能测试,并对实验结果进行了分析.     

精密尺蠖压电进给装置步幅扩大机构的研究

压电陶瓷精密尺蠖微进给装置杠杆放大机构,是通过增大进给步幅来提高装置的速度性能.微尺蠖压电陶瓷进给装置的行走速度由行走的步幅和控制频率决定,理想状态是装置的行走步幅和控制频率同时达到最大.但这种状态是不可能达到的,应存在步幅和最大频率的协调.当利用杠杆增加装置的步幅时,会影响柔性铰链框架的弹性并影响装置的响应速度.因此,要对放大杠杆进行合理的设计,对杠杆放大比进行优化.     

高速钢材料的粗金刚石砂轮轴向进给数控磨削机理研究

根据正交试验确定了影响高速钢材料的粗金刚石砂轮轴向进给数控磨削表面粗糙度值Ra的最主要因素是进给速度Vf.在此基础上,进行进给速度Vf单因素数控磨削实验,对数控磨削后表面粗糙度值进行了分析.     

皮革数控裁剪机伺服进给系统的设计与仿真

为了满足皮革裁剪机自动化高速裁剪的需求,设计了皮革裁剪机伺服进给系统.针对皮革数控裁剪时所存在高速切割和动态响应性问题,对伺服进给系统进行了数学建模,同时对其机械传动机构进行了转动惯量等效分析;在此基础上提出了电流、速度和位置的三环PID控制策略,建立了伺服进给控制系统Simulink仿真模型.研究结果表明,采用了三环PID控制方法后的皮革裁剪机伺服进给系统获得了更加优良的动态特性,对进一步提高高速皮革裁剪机的裁剪速度和精度具有较好的工程实用价值.     

HZ037型缓进给成形磨床

我厂对缓进给成形磨削进行一系列结构、工艺试验,在试验基础上设计、制造了HZ037型缓进给成形磨床(图1),机床的夹具装置如图2所示,在机床上磨削加工的各种工件如图3所示。这种机床也可作一般精密平面磨床使用,垂直、横向、纵向三坐标有数显装置。根据用户要求,除附必要的夹具外,还可附各种砂轮、浓缩冷却液、仿形修整装置、滚轮装置、砂轮主轴电机变速的变频装置等。HZ087型缓进给成形磨床于1987年开始对外供货。另外,我厂还设计、制造了HZ027、HZ028以及HZ029     

基于数控设备系统的设计研究

目前,很多数控设备依然存在加工精度低、制造成本高、控制系统复杂等缺陷,因此有必要对数控设备系统进行设计。首先分析了数控设备的组成,以便对关键的装置和部分进行设计,尤其是进给伺服系统和电机。接着,对进给伺服系统和机械设备结构的工作原理进行分析,提出了进给装置的伺服电机选择方法。实践表明,该数控设备系统设计具有成本低、功能性强、精度高等优点,为旧设备的数控化改造和优化提供了新的方向。     

具有三层结构的SU-8胶V形微电热驱动器

为解决SU-8胶微电热驱动器在工作过程中存在平面外运动的问题,提出了一种具有铜-SU-8胶-铜三层对称结构的新型SU-8胶V形微电热驱动器.采用刚度矩阵方法建立了包含被驱动结构刚度的微电热驱动器力学模型,并针对一种柔性微夹钳,利用该模型对微电热驱动器进行了几何参数设计.利用Ansys仿真软件对所设计微驱动器进行了分析,仿真结果验证了所建模型的合理性.提出了一种新的MEMS加工工艺来制作三层结构微电热驱动器,并测试了它的性能.结果表明,实验结果与仿真结果相差不大,在150mV驱动电压下,所设计微驱动器温度仅升高约32.93℃,并对微夹钳产生约2.5 μm的输入位移,使微夹钳产生126μm的钳口距离改变量.微驱动器仅消耗大约30.35 mW的功率,钳口的平面外运动小于500 nm.最后,利用微电热驱动器驱动的微夹钳成功地对一个长1.2 mm,宽135μm,厚50μm的SU-8胶材料微型零件进行了微操作实验,实验证明了微驱动器实际性能基本满足设计要求.     

PMN-PZT多层厚膜微致动器的制作与分析

研制了一种用于计算机磁头精确定位的"U"形压电微致动器。该致动器由流延法在不锈钢(SUS304)基体上制备镁铌酸铅一锆钛酸铅(PMN-PZT)多层膜,并由丝网印刷工艺制作Ag／Pd内电极。在此基础上,在多普勒干涉仪(LDV)上对封装了压电元件的"U"形微致动器进行了测试。结果表明,该致动器具有优异的位移／电压灵敏度、谐振频率等特点。此外,有限元仿真进一步验证了多层结构的压电元件可以有效地提高压电微致动器的驱动能力。     

具有非对称分段线性刚度的超磁致伸缩微位移致动器的非线性分析

研究了超磁致伸缩微位移致动器的非线性动力学特性 ,分析了碟簧非对称分段线性刚度对微位移致动器动力学特性的影响 ,基于理论分析计算结果 ,研制出应用于精密机械加工的微进给系统的稀土超磁致伸缩微位移致动器 ,为实际开发换能器产品提供了设计依据     

Heat transfer in a micro-actuator operated by radiometric phenomena

The heat transfer characteristics of rarefied flows in a micro-actuator are studied numerically The effect of Knudseti number (Kn) on the heat transfer of the micro-actuator flows is also examined The (Kn) based on gas density and characteristic dimension is varied from nearcontinuum to highly rarefied conditions Direct simulation Monte Carlo calculations have been performed to estimate the performance of the micro-actuator. The results show that the magnitude of the temperature jump at the wall increases withKn Also, the heat transfer to the isothermal wall is found to increase significantly withKn     

基于立体成型法的微激励器静态性分析

介绍一种新型的微细加工方法,即微型立体成型法,以及基于这种方法制造微型电容式激励器的工序步骤。详细分析了该激励器在静电力作用下的静态特性,导出了可动极板处于稳定平衡时的条件及在此条件下的线位移范围,给出了驱动电压与可动极板位移量之间的关系曲线,用所制作的微激励器对上述推证结果进行了实验验证。     

二维微执行器几何非线性拓扑优化设计与试验

多自由度柔顺机构在微动精密定位和精密操作等领域有广泛的应用,并且柔顺机构拓扑优化后所得机构都是锯齿状跳跃边界的几何图像,不能直接应用于工程实际,因而对多自由度柔顺机构拓扑优化、提取与试验研究就显得十分必要。基于此,以二维微执行器为例,进行多自由度柔顺机构几何非线性拓扑优化、拓扑图提取与试验研究。首先,给出了考虑耦合抑制输出的多输入多输出柔顺机构几何非线性拓扑优化数学模型及优化算法。其次,针对柔顺机构性能特点,给出了一种拓扑提取方法。提取过程包括灰度图像二值化、密度等值线方法边界近似和曲线重构三个部分。最后,以二维微执行器为基础,采用线切割加工工艺,研制了二维微执行器原型,并对其位移性能进行了试验测试,结果表明,该二维微执行器试验结果与理论分析结果基本吻合,达到了设计要求,同时也验证了所提方法的有效性。     

新型惯性式微驱动器及其在微纳米定位中的应用

研制了一种基于压电陶瓷的惯性式微驱动器,其驱动电压直接由电子线路产生。介绍了微驱动器的工作原理和结构设计,测试了微驱动器的位移特性和动态响应性能。结果表明,在电压幅值20V~350V、频率20H z~125H z范围内,微驱动器可产生平稳和均匀的运动,平均步长在60nm~1502nm范围内连续可调,最大运动速度可达120μm/s。且驱动行程不受限制。给出了微驱动器在扫描隧道显微镜定位机构中的应用实例。     

Using DQM method on residual vibration analysis of an electrostatically actuated microswitch structure

Using the Differential quadrature method (DQM) on Residual vibration analysis of an Electrostatically actuated microswitch structure is focused to study in this work. The application of external voltage between an electrode and a microbeam results in microbeam vibration during the transient period before the beam reaches its permanent position. The lifetime of a microswitch or a modulator is dependent on the number of switching-cycles it performs; therefore severe residual vibrations may reduce the lifetime of the micro-actuator and introduce operating delays. Consequently, understanding and controlling the residual vibration in a micro-actuator is paramount. In this study, the effects of design parameters on the dynamic responses of a microswitch were formulated and considered. The models proposed use the DQM combined with the Wilson- q method, to treat the nonlinear transient problem of microswitches, and simultaneously consider the effects of position-dependent electrostatic force, mechanical restoring force, and squeeze-film damping. Additionally, the effects of the electrode in various positions on the residual vibration of the microbeam were explored. Variations of residual vibrations with variously shaped beams and electrodes were simulated and studied to control the settling time of the micro-actuator. Analysis results indicate that the residual vibration of microswitches can be markedly changed by effects of the shape and tip thickness of beam, and length and position of electrode of an electrostatically actuated microswitch structure system.     

超精密机床宏/微双驱动微位移机构的设计与控制

提出了一种宏/微双驱动微进给机构的设计与控制方法。介绍了宏/微双驱动微位移机构的结构设计,将宏动(大行程)和微动(高分辨率)两者串联以获得理想的运动性能。该机构用步进电机作为宏动的驱动装置以获得大行程和高响应速度,用压电陶瓷微位移器作为精密运动以提高运动分辨率和运动精度。设计了该机构的控制系统,用一个基于模型的开关控制器对微位移装置进行控制,并设计专门的运动分配模块对宏/微运动进行协调控制。最后,分别控制宏动和微动装置对该系统进行了实验,并用激光干涉仪检测。检测结果表明,宏动装置的行程为90 mm,运动分辨率为0.3 μm;压电陶瓷微动装置的行程为40 μm,定位精度为0.9 μm。理论分析和实验结果均表明了控制策略的有效性。     

超磁致伸缩微致动器车削系统建模与控制

综合考虑温度、预应力及碟簧非线性的影响,建立超磁致伸缩微致动器(giant magnetostri ctive micro actuator,简称GMA)车削加工系统非线性动力学微分方程。根据精确反馈线性化的滑模变结构控制方法设计控制器,采用双曲正切函数代替符号函数,并引进边界层,减少了系统的抖振,增加控制器的连续性。最后通过试验,验证了该控制方法的有效性,当系统存在外界干扰或是参数摄动时,该文设计的控制方法都能取得较好的控制效果,稳态误差达到纳米级。