直线式压电垂直驱动振动给料机设计

目的 为了满足现代电子工业领域中对微小电子元器件高速送料的需要,采用环形压电双晶片,设计一种直线式压电垂直驱动振动给料机。方法 首先对给料机结构进行设计,阐述其工作原理,通过对环形压电双晶片进行模态分析,确定双晶片工作振型。然后利用小挠度的弹性薄板理论,推导压电双晶片输出力的表达式,利用Matlab软件,探究压电陶瓷和基板的厚度与出力系数的关系,以及压电陶瓷和基板的弹性模量与出力系数的关系。最后制作振动给料机样机,并对其进行实验测试。结果 测试结果表明,系统有效工作频率为184～190 Hz,当驱动电源电压为220 V,频率186.8 Hz时,对3.2 mm×2.8 mm的发光二极管(LED)给料速度可达到22.6个/s,比市场上同型号的矩形压电双晶片驱动给料机速度提升了14.7%。结论 在精密电子元件高速输送的自动化包装或自动化检测线上具有良好的应用前景。     

基于槽钹形压电复合驱动的仿尺蠖式微型管道机器人

设计了一种基于槽钹形压电复合驱动的仿尺蠖爬行式微型管道机器人。该机器人包括两个Ф8n硼槽钹形压电复合驱动器和一个爬行定位系统,能够在Ф10mm的曲线形管道中自主定位爬行。槽钹形压电复合驱动器驱动能力为自重的4倍,最大爬行速度为41mm／s;爬行定位系统提供了机器人爬行步距的测量,通过实验验证整个爬行系统的定位误差仅为4‰。     

一种新型谐振式微小型机器人移动机构

微小型机器人在微机电系统组装、生物工程、光学工程等领域有着广阔的应用前景,但传统移动机构难以满足其特殊作业需求.针对这一矛盾,提出了一种谐振式微小型移动机构.依据分割设计法的思想进行了谐振足设计,并建立了其动力学方程.在动力学方程的基础上进行了致动机理分析,发现足端与地面碰撞产生的摩擦力积分与时间近似呈线性关系是谐振足微观上不规则振动具有宏观上稳定的驱动效果的原因.实验样机在10 V电压驱动下速度可达374 mm/s,运动分辨力为1.24μm,具有较高的移动速度和运动分辨力,可以极大地提高微小型机器人的运动性能.     

十字形压电振子同型模态振动驱动的平面电机

提出十字形压电振子同型模态驱动的压电平面电机新原理,选定该振子的面外弯振、面内横杆弯振、面内纵杆弯振为工作模态,利用面外弯振分别与面内纵杆弯振、面内横杆弯振的振动耦合,在纵、横杆驱动足上生成沿x Oz、y Oz面行进的椭圆轨迹以推动动子沿x、y向移动。阐明电机驱动原理,优化出振子尺寸为60 mm×60 mm×7.8mm,厘定电机最适驱动频率为30 127 Hz。建立振子机电耦合模型,研究驱动足的振动特性,模拟出驱动足的椭圆轨迹,仿真得到在250 V电压激励时驱动足的x、y、z向振幅分别为1.6μm、1.6μm和1.2μm。建立电机的整机分析模型,探析驱动电压、频率、相位差、预紧力对电机速度的影响。在正常驱动条件下,电机速度可达50 mm/s。该电机在平面装置驱动中的应用前景广泛。     

高性能PZT陶瓷双晶片制备及猫中耳拾音实验研究

制备横向压电系数d31高达-480pC/N和居里温度Tc达280℃的高性能PZT压电陶瓷材料,再制成厚0.3mm、宽1.0mm和长度分别为3.5、4.0和4.5mm的压电双晶片(PCBE),结合前置放大器制成声电换能器,将其植入猫耳内并测试PCBE耦合于听骨链上的声学信号拾取能力.结果表明:制备的PCBE具有良好的声-电换能性能;三种长度的PCBE均可全部植入猫耳鼓室,拾取体外20～20000Hz声信号可获得较平坦的频响曲线,长度为4.5mm的PCBE拾取信号最佳,最大输出达-13.16dB(0dB输入,1.5kHz时).证实PZT压电双晶片可以制成鼓室内全植入式传声器。     

微振动输送中圆盘型压电振子的动力学分析

目的研究压电陶瓷振动给料器的双晶片压电振子,求出其力学表达式,为振动给料器的双压电晶片的优化设计奠定理论基础。方法以螺旋式压电振动给料器的圆盘型压电振子为例,对圆盘型压电双晶片进行动力学分析,建立振动模型及动力学方程,对激振力进行求解。结果运用Rayleigh-Ritz法推导出在简支边界条件下,双压电晶片振子的弯曲振动的共振频率以及激振力表达式,得出最大误差出现在160 V处,理论计算与实验验证数据的误差为10%左右,有限元分析与实验验证数据的误差为5%左右。结论通过实验可以看出在实际应用中,要综合考虑其电压输入与压电陶瓷层的变形程度,选择最佳的电能输入,才能使压电双晶片获得最大的激励位移。     

连续碳纤维混合3D打印工艺及仿生腿性能研究

基于连续与短切碳纤维复合材料双喷头混合3D打印工艺原理,本文研究了连续碳纤维在实验样条中的排布方式,对3D打印中连续碳纤维的层间布局进行工艺规划,并应用于四足机器人仿生腿的制造,以增强四足机器人仿生腿的承载能力。根据不同工况下四足机器人仿生腿的受力分析及静力学仿真结果,得到仿生腿受力时理论应力集中部位,并由此设计承载力实验对仿生腿30°外展工况持续施加力至额定载荷;通过仿生腿在承载力实验中结构失效的部位与仿真时理论应力集中处的对照分析,证明了仿真结果的准确性。依据仿生腿侧面受力时结构失效的测试评估结果,对3D打印仿生腿中的连续碳纤维的布局进行合理工艺规划,在不增大连续碳纤维整体含量的条件下对应力集中部位进行选择性增强,可在提高3D打印性价比的同时使仿生腿的最大拉升强度提升至310 MPa,从而达到更优的承载作用。     

单相斜轨塔形直线超声电机设计与实验

对一种理论斜直线运动轨迹的单相驱动双向运动的直线超声电机进行了理论及实验研究.该电机由塔形定子和倾斜一定角度安装的导轨组成,定子的两个正交工作模态为y-z面内对称振动模态和x-z面内弯振模态,分别对应电机的正反运动方向,利用在工作模态下定子驱动足表面质点相对于导轨的理论斜直线运动来驱动导轨运动.分析了电机的工作原理,推导了电机运行的导轨倾角范围,研制了样机,并进行了模态实验和机械特性实验.实验表明:在导轨倾斜角为35°、激励电压500 Vp-p、预压力4.5 N下,当电机工作在y-z面内对称振动模态,电机正向运动,最大空载速度为79 mm/s,最大输出力为0.5 N;当电机工作在x-z面内弯振模态,电机反向运动,最大空载速度为756 mm/s,最大输出力0.8 N.     

利用音叉共鸣结构的大振幅双足压电直线电机

本文提出了一种根据人类行走姿态加以抽象的新型双足压电直线电机。音叉共鸣结构的引入使得驱动足可以产生大振幅,而且提高了压电换能效率,低电压即可驱动。驱动足实现大振幅的意义在于大大降低了对于导轨的要求,木轨、塑料轨等首次成为压电超声波电机的驱动导轨。本文建立了该电机简化的动力学模型,分析了定子拓扑结构、配重等设计参数对于输出机械性能的影响,给出了设计准则。通过实验测出了该电机的输出特性,最高输出速度为210mm/s,最大输出力为0. 5N。     

转盘式多足仿生机器人的运动学分析及优化

为解决多足机器人控制系统复杂、加工装配困难的问题,设计了一种基于单自由度Jansen连杆机构的转盘式多足仿生机器人,并对其进行运动学分析和优化。首先,运用旋量理论对机器人的单条仿生机械腿进行自由度验证,并运用复数矢量法对仿生机械腿进行运动学求解,得到其足端运动轨迹方程及各关节的转动角度。然后,基于仿生机械腿足端的运动轨迹及其影响因素,分析了其优化方向。接着,提出了转盘式传动机构,并对仿生机械腿的转动关节和足端进行了优化,同时利用SolidWorks软件对转盘式多足仿生机器人的步态进行了时序分析。最后,制作了转盘式多足仿生机器人样机并分析了其在常规路况下的运动能力,验证了其可行性。结果表明,改变曲柄长度和机架水平倾角可优化多足仿生机器人的运动轨迹,使其更符合实际应用所需;转盘式传动机构与多条仿生机械腿的叠加,提升了机器人的环境适应性。研究结果为后续机器人系统的设计及工程应用提供了重要的理论依据。     

四足机器人高速动态行走中后腿拖地问题研究

进行了用配重法和姿态调整法消除四足机器人Biosbot高速动态行走时由于重心偏置产生的后腿拖地现象的研究.进行的虚拟样机仿真及实物机器人实验验证了这两种方法的有效性.研究发现,配重法使机器人腿关节承受额外负载,极易造成轴联接件磨损、变形;姿态调整法效果比较明显,但也存在摆动腿足端回缩、质心回缩振荡等问题,会导致机器人运...     

双十字压电振子同型弯振模态驱动的平面超声电机

为了丰富平面超声电机的型式,提出一种双十字压电振子同型弯振模态驱动的平面超声电机。利用双十字压电振子的纵杆面内、面外弯振耦合以及横杆面内、面外弯振耦合,分别在两杆的驱动足上合成沿xoz、yoz面行进的两相椭圆轨迹,以交替地推动动子沿x、y向移动。分析了该平面超声电机的驱动机理,并推导出两相椭圆轨迹方程。建立了双十字压电振子机电耦合模型,对其三相工作模态的振型进行仿真分析,并在结构优化的基础上实现了三相工作模态频率一致,使它们分别为43 468,43 552和43 569 Hz。仿真了双十字压电振子的频响特性并实现了干扰模态分离,当驱动电压为250 V时,驱动足x、y、z向振幅分别为1.3,0.8和0.9 μm,满足电机驱动要求。模拟得到定频激励下双十字压电振子驱动足的两相椭圆运动轨迹,验证了所设计平面超声电机驱动机理的有效性。该平面超声电机可输出较大速度与动力,具有广阔的应用前景。     

一种精确的压电双晶片参数动态测试模型和方法

本根据悬臂染式压电双晶片的动态导纳矩阵，设计了一种器件参数动态测试模型，用于测量压电双晶片的几个主要参数：压电常数d31、机电耦合系数κ31、介电常数ε33^T、弹性顺度常数s11^E和等效电容等。中详细叙述了测试模型的建立和测试步骤，并提出了一种实际试样的测试结果。理论与实验表明，这种新的动态测试方法是精确、可行的。     

基于等效并联机构的四足步行机器人运动分析

针对四足步行机器人机构运动学求解问题进行了研究.以螺旋理论为分析手段,提出一种基于等效并联机构的步行机器人运动分析方法.将四足机器人3足落地和4足落地状态的运动状态等效为3-UPS和4-UPS并联机构,进行了步行机器人3足、4足落地时的等效并联机构自由度分析,证明其自由度设计的正确性.对单腿机构的运动空间进行了分析和计算,通过比较研究,选取其中运动空间合理的单腿机构配置方式.最后,通过对对应等效并联机构的运动学分析,解决了不同运动状态下的四足步行机器人机构的运动学求解问题.     

高精度视觉光电多指节机器人中的零点归位新方法

提出了一种自动选择最优路径的高精度的机器人归零新方法,制作了高精度视觉光电多指节机器人系统。该归零方法的基本原理是根据机器人的停放点相对于零位接近开关的位置自动选择最近的归零路径,以零位接近开关和编码器Z信号共同判断最终零点。现场应用实验结果表明:项目组的视觉光电多指节机器人1轴臂长350mm,可操作范围220?;2轴臂长250mm,可操作范围300°;3轴臂长150mm;4轴360°自由转动。该机器人系统目前已成功应用于工件上下料和码垛作业中,系统运行稳定,点重复精度达0.02mm,除归零外的水平联动速度达到5.2m/s。采用本文的归零新方法,各轴归零时间均在10s内,归零误差均在2个脉冲数以内。据我们所知,该方法国内、外未见报道,也未见实际应用案例。     

多功能六足轮腿式机器人设计

本文通过模拟足形昆虫腿结构,并且结合轮式机器人的特点,设计了一种多功能轮腿式六足机器人。该机器人具有足式行走和轮式行走两种方式,提高了机器人的运动效率;机器人两个足可以转换为操作臂,并设计了操作臂末端夹持器,实现对物体的夹取。对机器人电子控制系统进行了设计,并通过增添多种外围设备丰富机器人的功能。     

摩擦系数变化式压电叠堆惯性直线驱动器

以压电叠堆和质量块组成的压电叠堆振子为动力元件,通过利用驱动器向左运动和向右运动时接触足与接触面摩擦系数的不同,设计并制作完成了一套摩擦系数变化式压电叠堆惯性直线驱动器．分析了该驱动器的工作原理并对驱动器的运动情况作了详细分析．搭建了专用测试系统,并采用该系统对摩擦系数变化式压电叠堆惯性直线驱动器进行了性能测试．试验结果表明：当频率为10Hz时,该试验装置最小稳定步长为0．19μm,最大移动速度为11．82μm／s,最大承载能力不低于900g．     

双压电薄膜微机器人驱动器的模态分析

讨论了一种双压电薄膜驱动的微机器人,它适用于φ20mm管径的管道检测。本文利用有限元分析的方法研究了双压电薄膜不同边界条件对微机器人驱动器固有频率的影响,对样机的实验结果表明理论计算和实验基本符合结论揭示了双压电薄膜微机器人依靠惯性冲击振动获得驱动的机理,可作为该类微机器人优化设计的理论依据。     

基于弯曲模态的板形直线超声电机结构设计

板形直线超声电机因具有扁平化结构等特点,特别适用于电机安置空间狭窄的直线驱动场合。针对狭窄空间作动需求,提出一种单模态、大推力直线超声电机。电机由导轨和板形定子组成,定子由平面内两个垂直放置的矩形板联接构成L形结构,驱动足位于联接部顶端。电机利用两矩形板弯曲振动所形成的对称和反对称模态驱动导轨运动,并通过切换对称和反对称模态实现导轨正反向运动。通过定子模态分析,研究结构参数对振型的影响,以确定夹持和压电陶瓷片的安置位置;针对对称模态下驱动足处振幅过小问题,分析前端盖开槽对驱动足处振幅的影响规律,并通过开圆弧形槽增加驱动足处振幅。制作样机,并开展实验研究。实验表明:该电机结构简单紧凑、运行稳定且推力大,最大空载速度为329 mm/s,最大推力为70 N,推重比达38. 2。     

圆形压电单晶片驱动式主动阀泵实验

为解决微泵截止性低和回流等问题,利用有限元分析法,建立了微小型圆形压电单晶片驱动式主动阀的结构数学模型,分析了阀口厚度和阀口间隙对阀腔内流场分布和压强损耗的影响,为优化圆形单晶片驱动式微小型主动阀泵的结构提供了依据.并且利用自身设计制作的圆形单晶片驱动式微小型主动阀压电泵（直径35mm）进行了分析验证.结果表明,在阀口厚度一定时,随着电压的升高,压电振子的振幅增大,主动阀的截止性升高,回流减少,流量升高.当阀口厚度为200μm、阀口间隙为30μm、电压为150V时,其流量达到38mL/min.