浙江师范大学 浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室，浙江金华321004
针对传统压电惯性驱动器普遍存在的回退问题，创造性地提出双振子反向连接的接线方式，在此基础上设计了一种惯性压电直线驱动器。基于这种接线方式，可以使驱动器工作在“前进-前进”运动模式，从原理上彻底消除回退现象。首先，为了更好地理解驱动器的运动特性，深入分析了反接条件下的驱动器的运动原理并初步建立了理论模型。接下来，本文设计并制作了试验样机，搭建了试验系统，进行了一系列试验探究该驱动器在正接（传统的接线方式）、反接（所提出的接线方式）两种接线方式下的运动性能。此外，为了评估驱动器的应用价值，利用斑马鱼胚胎进行了细胞药物注射模拟实验。试验结果表明：相较于“前进-回退”的运动模式，在“前进-前进”的运动模式下，驱动器可以实现无回退，能量转换效率从2.16%提高至2.60%，运动速度从6.08 µm/s增大至7.88 µm/s，最大偏差为0.12 µm，标准偏差为0.035 6。所设计的驱动器具有较高的稳定性和能量转换效率，并且完全解决了回退问题，有望用于细胞操作和微电极植入等领域。
惯性驱动器 非对称夹持 无回退 反接 细胞操作 piezoelectric actuator asymmetric clamping no backward motion converse wiring method cell manipulation
浙江师范大学 工学院 精密机械与智能结构研究所, 浙江 金华 321004
为改善惯性压电驱动器的输出性能, 提高驱动器的稳定性, 本文提出了一种利用压电惯性驱动与磁流变液控制共同作用, 将固体-固体摩擦转换为固体-液体/固体-类固体摩擦形成定向运动的新型磁流变液控制式惯性压电旋转驱动器。分析了压电旋转驱动器的工作机理, 设计制作了试验样机, 搭建了试验系统并与机械控制式压电惯性驱动器进行了回退率、线性度、重复性对比试验测试。结果显示: 在1 Hz, 15 V方波信号激励下, 驱动器平均角位移为0.46 mrad; 磁流变液控制式驱动器回退率为5.6%, 机械控制式驱动器回退率为72.2%; 磁流变液控制式十步位移线性度决定系数为0.998, 残差平方和为15.359; 机械控制式决定系数为0.985, 残差平方和为20.872; 磁流变液控制式和机械控制式重复标准差分别为0.136, 0.475。试验结果表明, 磁流变液控制式惯性压电旋转驱动器回退性能、线性度、重复性均优于机械控制式压电驱动器。
压电驱动器 磁流变液 非对称夹持 回退率 piezoelectric actuator magnetorheological fluid asymmetrical clamping drawback rate 光学 精密工程
2019, 27(10): 2192
浙江师范大学 精密机械研究所, 浙江 金华 321004
为改善惯性压电驱动器输出性能, 提出了一种新型具有偏置结构的非对称惯性压电旋转驱动器。在非对称夹持的基础上, 定义了一种偏置结构。为了解偏置结构对驱动器输出性能的影响, 建立了机构的力学模型方程, 推导并仿真分析了驱动器的动力学特性。设计、制作了试验样机, 搭建了试验系统; 进行了试验测试并与无偏置结构驱动器进行了性能对比。结果表明: 偏置距离为15 mm时, 驱动器输出步距角速度最大。与无偏置结构驱动器相比, 驱动电压为100 V、23 Hz时, 驱动器输出最大角速度从3.48 rad/s增加至5.39 rad/s, 增幅达54.88%, 驱动器最大驱动力矩从2.41 N·mm增加至3.62 N·mm, 增幅达50.2%; 驱动电压为100 V, 4 Hz时, 驱动器稳定运行时的承载量达1 300 g。理论与试验结果表明, 提出的有偏置结构的驱动器具有输出步距角速度和驱动力矩更大的特点。
压电旋转驱动器 惯性驱动器 非对称夹持 偏置结构 输出特性 piezoelectric rotory actuator inertial actuator asymmetrical clamping bias unit output characteristics
1 吉林大学 机械科学与工程学院, 吉林 长春 130022
2 浙江师范大学 精密机械研究所, 浙江 金华 321004
提出利用结构分析软件ANSYS和流体分析软件ANSYS CFX对无阀压电泵进行流固耦合仿真分析, 以研究无阀压电泵的输出性能。分别对进口在中间出口在一侧、出口在中间进口在一侧、进出口对称布置的3种不同结构形式的无阀压电泵进行了流固耦合仿真分析。结果显示, 上述3种无阀压电泵中, 出口在中间进口在一侧结构形式的无阀压电泵的宏观输出流量最大。制作了3种无阀压电泵的试验样机, 并搭建了相应的试验测试系统, 在幅值为45 V、频率为0~700 Hz 的正弦信号激励下对其输出流量进行了测试。结果表明, 3种不同结构形式的无阀压电泵的最大输出流量分别为3.8、6.0和4.0 ml/min, 出口在中间进口在一侧的压电泵输出流量最大, 与流固耦合仿真分析的结果相吻合, 验证了本文提出的流固耦合仿真分析的方法可以指导压电泵的设计。
无阀压电泵 流固耦合 仿真 valveless piezoelectric pump structural-fluid coupling simulation ANSYS ANSYS ANSYS CFX ANSYS CFX
浙江师范大学 精密机械研究所，浙江 金华 321004
以惯性压电旋转驱动器为研究对象，对比研究了非对称式惯性压电旋转驱动器和变摩擦力式惯性压电旋转驱动器的运动特性。分析了两种驱动器的工作原理，设计、制作了试验样机，搭建了测试系统并对两种压电旋转驱动器进行了对比试验测试。结果显示：在8 Hz方波电信号的激励下，非对称式压电驱动器的旋转步距大于变摩擦力式旋转驱动器；当驱动电压为100 V时，非对称式与变摩擦力式压电驱动器的回退率分别为73.19%、65.67%；在40 V、8 Hz的方波激励下，非对称式与变摩擦式压电驱动器的线性度残差平方和与重复性标准差分别为0.031、0.069与0.011、0.063。试验结果表明：与变摩擦力式驱动器相比，非对称式驱动器的输出步距及回退率更大，具有较高的线性度和重复性。
惯性压电旋转驱动器 非对称式压电驱动器 变摩擦力式压电驱动器 运动特性 piezoelectric inertial rotory actuator asymmetric piezoelectric actuator variable friction piezoelectric actuator movement characteristics 光学 精密工程
2015, 23(12): 3364
浙江师范大学 精密机械研究所, 浙江 金华 321004
由于惯性冲击力是压电惯性驱动器产生运动的关键, 故本文探讨了方波激励下压电振子的惯性冲击力大小。推导了压电双晶片振子在方波激励下的冲击响应, 分析了惯性冲击力的时域特性和幅频特性, 分析得到方波激励下惯性冲击力信号频率主要集中在0~500 Hz。采用加速度传感器初步测试了压电双晶片振子的加速度参数, 测试结果与理论模型相近。结合压电双晶片振子的端部惯性质量计算得到惯性冲击力的数值, 利用快速傅里叶算法获得了加速度参数的幅频特性。最后, 采用摩擦学的方法对惯性冲击力的数值进行了验证, 验证结果表明两种方法的最大相对误差为898%, 表明加速度传感器测试惯性冲击力是可行的。
压电惯性驱动器 惯性冲击力 方波 冲击响应 piezoelectric inertial actuator inertial impact square wave impact response
设计了以非对称机械夹持压电双晶片振子为驱动元件, 支撑面之间正压力可以改变的非对称夹持惯性压电旋转驱动器。分析了该驱动器的运动机理, 建立了非对称夹持压电双晶片振子的仿真分析模型, 研制了实验装置, 并采用ANSYS仿真分析和试验测试对比的方式, 探讨了非对称夹持压电双晶片振子在对称方波激励电信号作用下的瞬态加速度响应情况。仿真分析和试验测试结果表明, 在对称方波激励电信号作用下, 非对称夹持压电双晶片振子具有较好的惯性冲击特性。试验研究了变正压力非对称夹持惯性压电旋转驱动器在不同旋转角度和激励电信号频率条件下的工作性能, 结果表明: 在夹持差为4 mm, 激励电信号电压为30 V, 激励电信号频率为5 Hz, 压电振子与接触平面之间夹角为50°时, 研制的压电旋转驱动器能够明显减少惯性压电旋转驱动器回退的现象, 可实现稳定单向旋转。
压电驱动器 旋转驱动器 非对称夹持 变正压力 瞬态响应 piezoelectric actuator rotary actuator asymmetry gripper variable normal pressure transient response
1 浙江师范大学 精密机械研究所, 浙江 金华 321004
2 兰州交通大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070
以惯性压电驱动器的关键部件——悬臂式压电双晶片振子为研究对象，探讨了悬臂式压电双晶片振子的夹持长度变化对其动态特性的影响规律。首先，建立了悬臂式压电双晶片振子静态参数方程和动力学模型。然后，应用matlab软件仿真分析了夹持长度变化对悬臂式压电双晶片振子的端部位移幅值和惯性加速度幅值的影响。最后，分别测试了悬臂式压电双晶片振子在不同夹持长度下的端部位移幅值以及惯性加速度幅值。结果显示：驱动电压为10 V，频率为11 Hz，悬臂式压电双晶片振子的夹持长度在9~20 mm内变化时，其端部位移幅值最大为66.2 μm，产生的惯性加速度幅值最大为10.2 ms-2。仿真和试验结果表明：激励电场相同时，随着悬臂式压电双晶片振子的夹持长度增大，其端部位移幅值会变小，而其产生的惯性加速度会变大。
压电双晶片振子 悬臂式双晶片振子 夹持长度 动态特性 piezoelectric bimorph vibrator cantilever bimorph vibrator clamping length dynamic characteristics
浙江师范大学 精密机械研究所, 浙江 金华 321004
提出了通过控制正压力来改变摩擦力的方案, 进而研制了一种以压电叠堆为动力转换元件的新型压电旋转驱动器。采用两个驱动用压电叠堆对称布置的方式设计了该旋转驱动器结构,探讨了旋转驱动器运动机理, 制作了压电旋转驱动器试验样机并对其进行了试验测试。试验结果表明, 该驱动器输出步长线性度较好, 当驱动电压为10 V、频率为2 Hz时, 驱动器旋转步长为20 μrad。分析了驱动器输出稳定性, 针对存在的问题提出通过施加控制系统来有效提高不同起始位置驱动器的运动稳定性。对试验结果进行误差分析, 找出了产生误差的原因, 为驱动器的进一步优化设计提供了参考。研究证明了该压电旋转驱动器设计方法的可行性, 利用该方法可以制作出结构简单, 体积小, 适合在微驱动领域中应用的驱动器。
压电驱动器 旋转驱动器 压电叠堆 惯性驱动 piezoelectric actuator rotary actuator piezoelectric stack inertial driving
吉林大学,机械科学与工程学院,吉林,长春,130025
提出了通过机械方式控制压电移动机构和支撑面之间摩擦力的有序变化来形成有规律的新型惯性式压电旋转机构的研究方案.设计了旋转机构的结构模型,分析了机构的运动原理,建立了机构的动力学模型.应用现代控制理论,利用Matlab对机构进行了运动学仿真,得到了机构位移和速度仿真曲线.设计、制作了旋转机构样机,并进行了相关的性能测试.试验结果表明,研制的旋转机构能实现大行程(360°)、高分辨率(15 μrad)、高转速(0.26 rad/s)且运动性能稳定.该旋转机构在精密运动、微操作、光学工程、精密定位等精密工程中有广阔的应用前景.
压电旋转机构 惯性驱动 摩擦 微驱动器
