压电粘滑旋转电机的设计

该文提出了一种结构简单紧凑的压电粘滑旋转电机。通过一个力偶式机构设计了定子,并在此基础上设计出双定子压电粘滑旋转电机,提升了电机结构的紧凑性。通过在典型锯齿波上改造而成的一种异步驱动方式,使电机能够实现“增粘减滑”。建立了电机机电-摩擦耦合动力学模型,制作出电机的样机并进行相应的实验。实验结果表明,电机输出位移曲线显示出良好的步进特性,当驱动电压幅值为150 V、频率为900 Hz时,电机输出的最大单步转角、转速分别为125μrad和6.3 (°)/s,最大可承负载为30 g。     

黏性流体环境中压电宏纤维致动柔性结构的流固耦合振动特性及试验

柔性结构与周围流体的耦合作用机制广泛应用于仿生机器人、水下航行器、精密仪器及生命医疗等领域。具有驱动变形大、防水性好且柔韧性好的压电宏纤维（Macro fiber composite,MFC）致动器是水下柔性结构变形控制的首选。建立MFC内部致动弯矩和水动力载荷共同作用下柔性结构的流固耦合动力学模型。对粘贴MFC致动器的柔性结构特征截面进行计算流体动力学（Computational fluid dynamics,CFD）分析,得到不同振动特征频率下柔性结构周围流场、压力分布及所受水动力载荷,分别拟合得到MFC致动柔性结构水动力函数的实部和虚部表达式。结果表明柔性结构水动力载荷的附加质量和阻尼效应都随着振动频率的增加而减小。在等振动特征频率下,MFC致动梁结构水动力函数的实部大于匀质等截面梁的实部;在高振动频率下其水动力函数虚部同样大于匀质等截面梁。试验测试了MFC致动柔性结构的水下振动特性,试验所得MFC激励下柔性结构末端稳定振动的幅频特性和相频特性与建立的耦合动力模型相吻合,证实了所建立MFC致动柔性结构的水动力函数及流固耦合振动模型的有效性。     

双向压电驱动的二维快速伺服刀架

快速伺服刀架能够提供精确、快速的微纳米级运动。为了获得双向和二维运动,该文研制了一种双向压电驱动的二维快速伺服刀架。该刀架采用对称结构设计,结合柔顺放大机构和位移解耦机构,末端执行机构实现较大的输出位移,同时减小耦合位移。基于伪刚体模型,建立快速伺服刀架的静力学和动力学模型,得到机构的输出位移、输出耦合比、最大应力和固有频率。通过有限元仿真验证了模型的正确性。最后,采用电火花线切割加工快速伺服刀架原型样机,并搭建了实验测试系统。实验结果表明,快速伺服刀架在x、y方向的位移放大率分别为3.56和3.57;输出耦合误差分别为1.26%和1.00%,装配压电陶瓷驱动器后系统在x、y方向的一阶固有频率均是270 Hz,系统动态性能良好。     

压电微操作器的混合灵敏度H∞控制

针对压电微操作器的迟滞非线性补偿问题,采用PrandtlIshlinskii(PI)法建立了描述微操作器迟滞非线性特性的迟滞模型,并设计其前馈控制器。首先通过将系统逆补偿输出线性化,设计混合灵敏度H_∞控制器,使系统具有较好的动静态特性。其次搭建了由多自由度微动平台和末端柔性操作臂构成的压电微操作器系统,并进行一系列测控实验。结果表明,基于PI逆模型的前馈控制可以较好地补偿压电微操作器的迟滞非线性,在最大输出位移125 μm的情况下,最大迟滞非线性率由21.7%降低至7.4%。同时混合灵敏度H_∞控制能以较小的相对控制误差实现对不同类型和频率的参考轨迹跟踪,甚至微操作器动力学参数发生变化时,仍然具有较好的控制效果,证实了所提出控制器的可行性。     

压电柔顺微操作器的H∞反馈控制

为保证压电柔顺微操作器的精准性和稳定性,以压电纤维驱动的单自由度柔性微操作器为例,首先,通过在传统Prandtl-Ishlinskii(简称PI)迟滞模型上串联死区算子,建立改进PI迟滞模型并设计相应前馈控制器;其次,将系统模型分解为线性可逆分量和有界分量,并构建权重函数和增广模型设计H_∞反馈控制器,以保证系统的稳定性和精准性;最后,以压电纤维驱动的单自由度柔性微操作器为例,搭建实验测控系统。实验结果表明：在前馈控制下,压电柔顺微操作器的迟滞量从16.5%下降到4.4%,改进PI迟滞模型是可行的。当参考轨迹为阶跃和不同频率的正弦信号、甚至改变微操作器结构参数时,H_∞反馈控制均能有效跟踪给定参考信号且相对控制误差较小,验证了所设计H_∞反馈控制器的有效性。     

双向二维快速伺服刀架的前馈控制研究

以压电陶瓷驱动器作为动力输入的快速伺服刀架具有输出力大和高频率响应的优点.压电陶瓷驱动器固有的迟滞现象严重影响了快速伺服刀架的输出定位精度.为解决此问题,通过引入归一化Bouc-Wen模型建立前馈控制补偿器,归一化Bouc-Wen模型解决了经典Bouc-Wen模型中存在的参数冗余问题.获得模型参数后,基于其逆模型搭建了...     

四自由度压电自感知微夹钳的设计

为提高压电微夹钳操作的灵活性,省掉用于检测其位移的外部传感器,该文设计了一种新型的四自由度压电微夹钳,并采用自感知方法获得其钳指位移。首先,基于两组空间垂直交叉的横向逆压电效应,设计了在夹持方向和垂直夹持方向上同时运动的四自由度压电微夹钳新结构;其次,基于压电晶片在电压作用下发生变形的同时在其表面产生电荷的思想,提出了电荷积分的自感知方法获取压电微夹钳的钳指位移;最后,通过实验测试了压电微夹钳的静动态特性及位移自感知特性。实验结果表明,基于自感知方法获得的位移与基于传感器获得的结果具有较好的一致性。     

压电宏纤维驱动的仿生尾鳍微推进力测量系统

提出了用于压电宏纤维(macro fiber composites,简称MFC)驱动的柔性仿锦鲤尾鳍推进力动态精密测量的悬臂式微推进力测量系统。基于矩形截面悬臂梁的纯弯曲和扭转变形理论,首先,提出微推进力测量构件的设计指标,其弯曲刚度实验标定结果与设计指标基本吻合,水下稳定摆动测试结果表明,MFC驱动的柔性仿生尾鳍在激励频率7,8 Hz时分别取得最大摆幅峰峰值5.08 mm和最大摆速104.3 mm/s;然后,开展了柔性尾鳍在最大摆幅及最大摆速状态下产生的微推进力动态测量实验,结果显示柔性尾鳍产生的推进力在一个稳定摆动周期内出现两次波峰起伏,且存在着时间占比不同的推进和拖拽两种状态。结果表明,最大摆速状态下,柔性尾鳍稳定摆动过程在65.6%的周期内为推进状态,产生的瞬时最大推进力和拖拽力分别为6.26和-2.50 mN,数值积分得到的周期平均推进力为1.90 mN,而柔性尾鳍最大摆幅状态下产生的平均推进力为0.26 mN。所提出的柔性仿生尾鳍及微推进力精密测量系统的具有较好的参考作用。     

二自由度大行程无耦合压电粘滑定位平台

针对微操作与微装配任务对多维大范围精密定位运动的需求,采用粘滑驱动原理并结合压电柔顺机构设计二自由度、大行程、无耦合并联定位平台。利用桥式机构对内置压电驱动器进行位移放大,并与复合解耦结构配合构成二维柔顺驱动机构。交叉滚柱导轨则连接移动台与驱动机构,并通过预紧螺钉调整接触摩擦力,进而获得良好的粘滑运动特性。采用有限元法建立定位平台的静力学模型,并对位移放大倍数、应力和固有频率进行仿真分析。最后,搭建实验测试系统验证定位平台的输出性能。实验结果表明：在扫描驱动模式下,驱动电压为150 V时,平台x和y向的输出位移分别为63.84μm和62.61μm,耦合比为0.52%和0.59%,分辨率为6.5 nm和7.2 nm;在步进驱动模式下,驱动电压为120 V时,平台在x和y向的单步位移分别为47.31μm和47.20μm,耦合比为0.69%和0.73%,x正向、x反向、y正向和y反向的运动分辨率分别为0.49,0.47,0.47和0.42μm,最大垂直负载为50 N,设计的压电粘滑定位平台满足所需性能要求。     

谐波驱动柔性臂系统耦合动力学建模及辨识

为研究谐波驱动的柔性臂系统耦合动力学建模问题,分别进行了谐波驱动模型的参数辨识和柔性机械臂振动特性的耦合动力学模型辨识。通过阶跃电流激励和低匀速转动实验辨识出了关节的库伦摩擦力,在伪随机二进制信号的激励下,辨识得到了包含驱动系统转动惯量和黏性摩擦因数的驱动传递函数模型,将其与实际结构系统比较验证了此模型的准确性。理论分析了振动耦合力矩和柔性臂应变输出电压之间的线性关系,辨识得到了从电机转动角位移到柔性臂应变电压输出之间的传递函数,其输出在时域和频域上都与实际系统比较吻合,说明了建立的传递函数模型对于实际系统的适用性。综合两个辨识得到传递函数模型,实现了对谐波驱动的柔性机械臂系统的耦合动力学建模。