宏微直线压电电机微驱动机构设计与分析

为了解决宏微驱动直线压电电机微驱动位移较小、对宏动定位误差的补偿能力不足的问题,提出一种宏微驱动钹型直线压电电机。采用钹型复合压电叠堆为驱动单元替换压电陶瓷片组成的压电叠堆,实现轴向位移的一次放大,通过弹性拨齿的柔性铰链结构将钹型压电叠堆输出的微位移二次放大。该电机可在特定的驱动频率、工作电压和相位差下实现振子振动模态下的超声驱动,也可以通过微位移放大机构实现静态变形的微驱动(蠕动)。建立了该直线压电电机的三维有限元模型,利用有限元软件分别对弹性拨齿、钹型压电叠堆和复合振子进行静力学分析和静态优化设计。有限元仿真表明:基于柔性铰链结构的弹性拨齿经过优化后,最小刚度小于钹型压电叠堆的最小刚度;在相同条件下,优化后钹型压电叠堆沿轴向方向的静态变形量比由压电陶瓷片组成的压电叠堆的静态变形量提高了8.45倍;采用基于柔性铰链结构的弹性拨齿和钹型压电叠堆组成的复合振子的拨齿质点沿水平方向的静态位移量比优化前提高了12.1%,大幅提高了微驱动对宏动定位误差的补偿能力,为压电电机微驱动的结构设计及优化提供依据。     

压电陶瓷执行器迟滞与非线性成因分析

从微观上系统分析了电致伸缩效应、逆压电效应和铁电效应的位移机理,表明:三种效应的位移机理是根本不同的;压电陶瓷执行器的位移主要是由逆压电效应、铁电效应所引起的,电致伸缩效应对位移的贡献极其微弱,可以忽略不计;单纯的逆压电效应是线性的,而铁电效应则是迟滞非线性的.指出了非180°电畴转向与转向的不完全可逆,分别是造成压电陶瓷执行器非线性和迟滞的根本原因.通过实验研究了驱动电压幅值、驱动电压频率、驱动循环次数及晶片厚度对压电陶瓷执行器迟滞和非线性的影响.     

应用于压电叠堆泵的微位移放大机构

提出了一种应用于压电叠堆泵的微位移放大机构,该机构以压电叠堆(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。实验测试结果表明:该机构对压电叠堆输出位移的放大倍数达到5倍,并且该机构具有线性良好、高分辨率、高频响应等特点。由有限元分析得到的固有频率达到了1.8 kHz,实际测量的固有频率为1.5 kHz。     

压电叠堆泵微位移放大机构的试验研究

提出了一种应用于压电叠堆泵的微位移放大机构,该机构以压电叠堆(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.实验测试结果表明,该机构具有线性良好、高分辨率和高频响应等特点.     

三自由度压电叠堆微位移放大机构的研究

提出一种应用于压电叠堆的微位移放大机构,该机构以压电叠堆为驱动元件,通过基于杠杆原理的柔性铰链二级放大机构,放大压电叠堆的输出位移,在互相垂直的三个自由度方向上通过磁性部件连接,实现三自由度方向上独立的位移输出。同时,通过仿真和试验,对其静态特性和动态特性进行研究。试验测试结果表明:该机构对压电叠堆输出位移的放大倍数达到5倍,三个自由度方向上的位移互相没有影响,并且该机构具有线性良好、高分辨率和高频响应等特点。     

基于压电陶瓷驱动器的微动平台控制技术

压电陶瓷驱动器是近年发展起来的一种新型微位移控制器件,利用压电陶瓷的逆压电效应使之产生相应的应力和应变,可以驱动二维柔性铰链微动机构实现微位移,达到二维定位的目的.通过分析压电陶瓷的基本理论及其非线性特性和补偿措施,阐明压电陶瓷驱动器直接驱动徽动平台的控制技术.     

大角度压电式快速控制反射镜

针对现有的基于压电陶瓷叠堆执行器的快速控制反射镜偏转角度较小的问题,提出了一种大角度定轴偏转压电式快速控制反射镜。采用基于柔性铰链的桥式位移放大机构将压电陶瓷叠堆执行器的输出位移放大,并将其作用到反射镜面上实现大角度定轴偏转。在此基础上,建立了压电式快速控制反射镜的结构和偏转角度输出方程,并通过理论推导和仿真对其工作时的最大偏转角度、最大应力和自然频率特性进行了分析。最后,通过实验测试对建立的压电式快速控制反射镜的工作原理和特性分析结果进行了验证。结果表明,建立的偏转角度输出方程能够根据压电陶瓷叠堆执行器的输出位移准确估计压电式快速控制反射镜的机械偏转角度,从而大大提高设计的效率;建立的压电式快速控制反射镜可以实现大于3°的镜面机械偏转,其固有频率为180Hz,能够满足高速稳像系统的偏转角度大、响应速度快的要求。     

压电主动元件设计与实验研究

为自适应调节和改善空间结构动力学性能 ,利用压电材料的正逆压电效应 ,研制了一种具有传感和驱动双重功能的压电主动元件。该主动元件由压电驱动器、微位移传感器、压力传感器等组成 ,具有输出和实时检测微位移和力的功能。提出了压电主动元件的设计理论 ,并给出其工作机理及组成结构。针对其关键部件——压电驱动器进行了静态实验研究 ,包括位移输出情况、重复精度和稳定性实验。实验结果表明该驱动器输出位移可达 63 .2 μm、重复精度± 0 .0 5μm、稳定性 <0 .1μm,能够用于空间可展结构的精密微位移控制     

位移放大型压电叠堆泵的研究

压电叠堆具有响应快、分辨率高、输出力大以及输出位移较大等优点.利用压电叠堆作为驱动器,结合柔性铰链位移放大机构设计了流体泵样机.对压电叠堆泵样机进行了实验研究,分析了对泵输出性能和压力性能的影响因素,证明压电叠堆泵输出压力大,性能稳定.     

压电执行器迟滞特性的自动采集及分析

压电微执行器用于纳米级微定位，预先获得其迟滞非线性特性是必要的，介绍了压电叠堆迟滞特性曲线的微机自动采集系统。系统基本部分是微机和通用数据采集板PCL-818L。高压运放输出作为高压驱动电源；电涡流位移传感器和后续减法放大电路承担测微位移任务，一定程度上可替代昂贵的精密电容位移传感器，测得了不同驱动电压范围的执行器迟滞特性曲线。     

泵用压电振子动态特性的研究

为了提高压电泵的效率、优化压电泵的结构,对泵用压电振子的动态特性进行了研究。介绍了一种新型压电泵——Y形流管无阀压电泵的结构和工作原理;对Y形流管无阀压电泵压电振子的振动状态进行了理论分析,得到了压电振子的固有频率及最大振幅的理论计算公式,并证明了理论分析结果的正确性;根据理论分析结果,对压电振子几何参数和基底层材料对其振动特性的影响进行了分析讨论。分析结果表明：压电振子的PZT层与基底层的直径比应在0.75左右,厚度比应小于1;基底层材料对频率影响较大,但对最大振幅影响较小。     

菱形压电微位移放大机构的设计

为提高叠层压电陶瓷作动行程,并使之具有往复对称作动的特性,提出一种基于三角放大原理的菱形压电微位移放大机构。该机构以叠层压电陶瓷作为驱动元件,利用三角位移放大原理,在放大叠层压电陶瓷位移输出的同时,实现在平衡位置两侧的双向主动输出。提出了相应的驱动方法,实现了对该机构输出方向和大小的控制。分析了机构的工作原理,通过解析计算得到该机构的理论放大倍数为2.9,与所建立有限元模型通过仿真计算得到放大倍数2.5相近。制作了试验样机并进行了试验验证,结果显示:该机构在驱动电压为200V时最大输出位移为(32±16)μm,对叠层压电陶瓷位移输出的放大比例为2.4倍,与理论计算相近;频率响应试验表明信号频率对位移输出影响较小。提出的设计方案实现了位移放大和位移双向主动输出这两个预期目标。     

采用耦合机构驱动的压电电机的研究进展

给出了压电电机的定义，按驱动方式对压电电机进行了分类；介绍了耦合机构驱动的概念及从蠕动驱动到楔蠕动驱动再到离合器驱动的发展过程，指出离合器驱动方式与传统的摩擦驱动方式相比，优点在于消除了摩擦损耗和易于进行精确的位置控制等；介绍了两种采用离合器耦合驱动的压电旋转型电机；分析了电机在研制过程中的技术难点在于消除或减小离合器回程间隙及位移放大机构等，指出耦合机构驱动的旋转型压电电机是今后压电电机发展的一个重要方向。     

基于d15变形压电致动器动静耦合激励分析

为研制一种大行程、高精度的压电致动器,以夹心式换能为机理,提出一种基于d_(15)动静耦合激励的新型压电致动器。对比优化设计的Cymbal压电叠堆与普通压电叠堆,分析了3种致动模式:d_(31)模式、d_(33)模式和d_(15)模式。利用有限元仿真方法和相关测量试验分析了机构的位移输出量,得到在有限元仿真软件平台中,Cymbal压电叠堆能有效地将d_(15)径向变形转化为轴向变形,其d_(15)模式形变量是d_(31)模式形变量的6.35倍,是d_(33)模式形变量的1.66倍;压电致动器在d_(15)动静耦合激励下的最大位移输出量(8.78×10~(-4) m)是d_(15)静态直流激励(6.45×10~(-5) m)的13.61倍,是d_(15)谐振交流激励(7.80×10~(-4) m)的1.13倍。测量试验发现,压电致动器产生的最大输出位移随着电压的增大呈近似线性增加,当电压为100V时,压电致动器产生的最大输出位移为8.11×10~(-4) m,证明了d_(15)致动模式下动静耦合激励的可行性。     

基于惯性-摩擦原理的PZT驱动四自由度微驱动器的研究

提出了一种由PZT驱动、基于惯性-摩擦原理的四自由度驱动器方案,在原理实验的基础上制作了四自由度驱动器的原型,并讨论了这一微驱动器的运动特点。实验证明:这一原理应用于微驱动器是可行的。压电陶瓷的通电频率处于0Hz～30000Hz时微驱动器的运动是线性可控的。同时,也讨论了驱动器设计中应该注意的问题及其未来的研究方向。     

“Y”形流管无阀压电泵驱动器的动态研究

为满足输血或输液工作需求而特别设计了一种新型"Y"形流管无阀压电泵,研究了它的驱动器--压电驱动器的工作特性.理论分析了驱动器的动态特性,并推导出其固有频率和最大振幅的计算公式.然后,验证了理论分析的正确性.最后,基于理论模型,对驱动器的几何参数和材料特性对其动态性能的影响进行分析讨论.分析结果表明,压电陶瓷层与基底层的半径比应为0.75左右,厚度比应<1.0.本研究亦为其他类型压电泵的优化设计和制作提供了实用性的参考.     

新型惯性式直线超声压电电机的运动机理及实验研究

提出了一种新型惯性式直线超声压电电机.该电机利用压电晶体的逆压电效应和惯性位移原理,由定子的轴向变形,通过摩擦力的作用,以惯性位移的形式传递运动.它由两部分组成,定子由具有位移放大功能的压电复合换能器和轴组成,动子为一带有缺口和环形凹槽的环.分析了该电机的工作原理,并通过仿真和实验相结合的方法分析了两种激励方式对电机性能的影响.实验结果表明:样机采用方波驱动比采用锯齿波驱动的效果好;在采用方波驱动信号驱动时,样机的最大空载速度可达到11 mm/s,最大输出力达到0.5 N.     

压电弯曲元件宽度对其特性影响的研究

研制了一种新型的压电弯曲元件,元件为三层结构,上下两层为压电陶瓷材料PZT-5H,中间弹性层为铍青铜.利用激光测试仪LC-2400A及LV-1610对压电弯曲元件的输出位移、位移滞环、蠕变量及基频等特性进行测量.对压电弯曲元件的宽度尺寸与其静、动态特性之间的关系进行分析,得出压电弯曲元件的宽度参数对其静、动态特性影响较...     

菱形压电驱动器对称驱动形式的研究

为了提高压电堆栈的位移输出,该文设计了一种菱形压电驱动器。该机构以压电堆栈作为驱动元件,利用菱形位移放大器放大叠层压电陶瓷的输出位移。该文首先对三角放大原理进行了分析,接着对菱形压电驱动器在一端固定一端驱动负载和两端同时对称驱动负载两种不同的约束方式进行了理论分析,然后利用ANSYS软件对菱形压电驱动器的静、动态特性进行了有限元分析。通过分析结果可以得出,该机构的仿真放大倍数为6. 17,接近于机构的理论放大倍数7. 12,而对称驱动下的工作频率可远远高于一端驱动下的工作频率,并对该结果进行了进一步的分析与讨论。