1 宁波大学 机械工程与力学学院 浙江省零件轧制成形技术研究重点实验室， 浙江宁波352
2 浙江大学 机械工程学院 浙江省先进制造技术重点实验室，浙江杭州31007
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63.84 μm和62.61 μm，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47.31 μm和47.20 μm，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0.42 μm，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。
压电驱动 桥式机构 粘滑运动 定位平台 piezoelectric actuation bridge mechanism stick-slip motion positioning platform
宁波大学 机械工程与力学学院，浙江 宁波 315211
为了实现大位移行程、无耦合运动的精密定位，设计了一种结构紧凑、工作台面大的x-y-θz三自由度并联压电微动平台。该文首先采用双柔性薄板的柔顺桥式放大机构对微动平台的驱动单元进行了设计，并基于双平行四连杆柔顺机构设计了微动平台的台体，进而获得平台的整体结构。再采用有限元方法对平台的应力、位移放大倍数和模态进行了分析。最后对所设计的微动平台进行实验系统的搭建，并对平台的位移和频率响应特性进行测试。实验结果表明，平台在x方向上的最大输出位移为306.1 μm，耦合率为0.26%；平台在y方向上的最大输出位移为402.3 μm，耦合率为0.14%；在θz方向(即绕z轴)的最大转角为2.72 mrad。平台在x、y、θz方向的位移分辨率分别为10 nm、10 nm、0.1 μrad，固有频率分别为104.1 Hz、130.0 Hz、115.6 Hz。
微动平台 压电驱动 桥式柔顺放大机构 双平行四连杆柔顺机构 micro-positioning stage piezoelectric drive bridge type compliant amplification mechanism double parallel four-link compliant mechanism
宁波大学 机械工程与力学学院, 浙江 宁波 315211
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125 μrad和6.3 (°)/s, 最大可承负载为30 g。
压电旋转电机 粘滑驱动 力偶式定子 增粘减滑 动力学模型 piezoelectric rotary motor stick-slip drive force-coupled stator increasing stickiness and reducing slippage dynamic model
宁波大学 机械工程与力学学院, 浙江 宁波 315211
为了降低压电微动平台的动态迟滞误差对平台定位精度的影响, 该文设计了基于率相关迟滞逆模型的前馈控制器对其进行迟滞补偿。首先, 在对平台受力分析和运动分析的基础上建立平台的动力学模型; 其次, 在经典Prandtl-Ishilinskii(PI）模型的基础上加以改造, 得到Modified Prandtl-Ishilinskii(MPI)模型, 并将MPI模型与平台的线性动力学模型串联, 得到分离式率相关MPI模型, 进而基于率相关MPI逆模型建立平台的前馈控制器; 最后, 对所设计的控制器进行阶跃响应和正弦轨迹跟踪实验。实验结果表明, 所设计的控制器具有较好的定位精度与跟踪性能, 可以有效地补偿压电微动平台的动态迟滞误差。
微动平台 迟滞建模 率相关 前馈控制 micro-positioning stage hysteresis model rate dependence feedforward control
1 浙江工商职业技术学院 机电工程学院, 浙江 宁波 315012
2 宁波大学 机械工程与力学学院, 浙江 宁波 315211
为了提升压电执行器输出位移的性能, 该文采用模糊神经元比例、积分、微分(PID)控制器对其输出位移进行控制。首先, 分析了压电悬臂梁执行器机电特性, 搭建其动力学模型; 其次, 将模糊算法、神经元、PID三者相结合, 设计出一种能快速、精确、抗干扰能力强的控制器; 最后, 对压电悬臂梁执行器控制系统进行了仿真, 并通过实验验证了该控制器的性能。结果表明, 压电执行器对5 μm阶跃目标位移的响应时间为0.3 s, 且无超调, 稳态误差中线由无控制时的0.57~0.66 μm减小为几乎为0; 在跟踪由正弦信号、常值信号、斜坡信号所组成的目标位移时, 跟踪误差几乎为0。该文所设计控制器可消除压电执行器的定位误差, 并使其具有抗干扰能力强, 响应迅速, 无超调量等优点。
压电悬臂梁执行器 动力学建模 模糊算法 神经元 比例、积分、微分(PID)控制 piezoelectric cantilever actuator dynamic modeling fuzzy algorithm neuron PID controller
宁波大学 机械工程与力学学院, 浙江 宁波 315211
为提高变形镜的热稳定性, 提出一种用正电压边缘驱动的双压电片变形镜, 通过环形电极产生整体离焦偏置, 分立电极校正波前像差, 只用正向电压即可实现镜面双向变形, 且此变形镜结构对称受热应力影响小.制备变形镜样机并进行测试, 测试结果表明: 初始镜面展平后残余误差小于λ/30(λ=1 064 nm); 精确重构了典型低阶Zernike多项式像差, 像散、离焦、三叶草和彗差像差的重构幅值分别达到11.1 μm、9.7 μm、5.7 μm和4.2 μm, 归一化残余误差分别为1.0%、1.0%、3.3%、6.0%; 此外, 实验生成了新型无衍射艾里光束, 并显示出优异的重构性能.
自适应光学 双压电片变形镜 正电压 热变形 艾里光束 Adaptive optics Bimorph piezoelectric deformable mirror Positive voltage Thermal deformation Airy beam
宁波大学机械工程与力学学院, 浙江 宁波 315211
对具有迟滞补偿的单压电变形镜的闭环校正性能进行了研究。提出了基于Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型的变形镜闭环控制算法,搭建了基于哈特曼波前传感器的自适应光学测试平台,分别进行了静态像差和动态像差的闭环校正实验。实验结果表明:在静态像差的闭环校正中,迟滞消除算法比未消除算法具有更快的校正速度;对于波前像差均方根的平均值为168 nm的动态像差,校正后的残差从消除前的33 nm降低到校正后的25 nm,证明了所提算法可有效应用于压电变形镜自适应光学系统。
自适应光学 迟滞非线性 Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型 单压电变形镜 闭环校正
1 宁波大学 机械工程与力学学院, 浙江 宁波 315211
2 宁波大学 浙江省零件轧制成型技术研究重点实验室, 浙江 宁波 315211
研制了不需要外部附加微位移与微力传感器、采用自感知方法来获取压电微夹钳的钳指位移与夹持力的压电自感知微夹钳.根据压电陶瓷晶片在驱动电压与外力作用下发生变形会在其表面产生电荷的思想,提出了基于积分电荷的钳指位移与夹持力的自感知方法;基于Jan G.Smits的压电悬臂梁弯曲变形理论,给出了钳指位移与夹持力的自感知表达式,即用钳指上压电陶瓷晶片表面的电荷来表达钳指位移与夹持力.设计了获取晶片表面电荷的积分电路,给出了其平衡条件为晶片电容与其绝缘电阻之积同积分电容与反馈电阻之积相等.自感知验证实验结果表明:修正后在31.59 μm最大钳指位移范围内的自感知位移最大偏差为0.78 μm;在35.91 mN最大钳指夹持力范围内的自感知夹持力的最大偏差为0.24 mN.实验结果验证了所提自感知方法是有效的.
压电微夹钳 钳指位移 夹持力 自感知 积分电荷 piezoelectric micro-gripper finger displacement gripping force self-sensing integral charge
1 宁波大学 机械工程与力学学院, 浙江 宁波 315211
2 浙江省零件轧制成型技术研究重点实验室, 浙江 宁波 315211
为避免在利用压电微夹钳夹持微对象过程中可能造成微对象的损伤或脱落, 提出用电阻应变片来检测压电微夹钳的钳指位移与夹持力。采用柔性杠杆放大机构设计了微夹钳, 该微夹钳结构微小且紧凑、钳指可平动、指尖夹持灵敏度高。基于悬臂梁弯曲变形理论及有限元方法, 分析了用于检测钳指位移与夹持力的微夹钳弹性敏感单元的应变特性。分析结果表明: 敏感单元的最大应变部位靠近其底端, 钳指位移与夹持力同敏感单元的应变成正比; 实验标定了钳指位移与夹持力同弹性敏感单元应变的关系, 标定结果表明两种关系均为线性关系; 最后实验测试了钳指位移与夹持力的大小。结果表明: 在150 V的最大电压下, 不夹持微对象时钳指的最大位移为78.35 μm, 夹持Φ0.3 mm、长8 mm的微轴时钳指的夹持力为9.24 μN。
压电微夹钳 钳指位移 夹持力 电阻应变片 piezoelectric micro-gripper finger displacement gripping force resistance strain gauge
1 大连交通大学 机械工程学院, 辽宁 大连 116028
2 宁波大学 机械工程与力学学院, 浙江 宁波 315211
设计了一种超声悬浮轴承用新型径向挤压式压电换能器, 用于验证超声波轴承径向共振频率理论计算的正确性。基于弹性理论、压电方程和机电类比原理, 建立压电换能器机电等效电路图, 理论推导出了压电换能器径向振动的共振频率方程; 然后, 应用Matlab软件计算出了压电换能器的共振频率。采用有限元软件对已知结构尺寸的换能器进行模态分析, 计算出压电换能器所需振型及该振型下的共振频率, 数值仿真分析了换能器结构尺寸对换能器共振频率和径向振幅的影响。最后, 设计了 一台样机, 从理论、仿真及实验三方面对其共振频率进行验证。实验结果显示: 换能器径向振动共振频率的理论值与实验结果相对误差为5.89%, 仿真值与实验结果误差为3.53%。实验结果证明了理论计算方法的正确性, 为压电挤压换能器的设计提供了理论依据。
超声悬浮轴承 压电换能器 机电等效电路 共振频率 模态分析 ultrasonic levitation bearing piezoelectric transducer electro-mechanical equivalent circuit resonance frequency modal analysis
