研磨抛光是机械加工领域中精密光整加工的重要手段。在传统研磨抛光中，特别是对硬脆性材料进行研磨抛光时，存在高硬度、低断裂韧性和化学性质稳定等特点，对其进行研磨抛光时很难获得理想的加工效率和优越的表面质量等问题。压电超声辅助研磨抛光属于振动研磨技术的一种，它将超声振动磨削技术应用于研磨加工，其高频振动能有效减小研磨力，提高加工效率，可充分发挥硬研磨工艺特点。该文结合压电超声辅助研磨抛光特性和研究方法现状，对国内外超声辅助研磨抛光硬脆材料的发展动态进行了综述与展望。

为推动旋转行波超声电机的发展及其在精密驱动领域的应用, 综述了其性能提升技术研究进展并分析了现阶段尚且存在的技术问题。首先, 从定子行波的合成、质点椭圆运动轨迹、接触界面的摩擦驱动等方面论述了传统旋转行波超声电机的运行机理。然后, 从结构优化和新材料应用角度综述了旋转行波超声电机的发展及其局限性; 从温升控制角度阐释了温度变化对超声电机性能的影响并介绍了现有解决方案; 论述了变预压力对谐振频率漂移的耦合影响, 并指出了目前研究存在的不足; 从双行波驱动角度分析了超声电机发展过程中的重大突破, 概况了其研究历程及可行的发展方向。最后, 归纳了旋转行波超声电机亟待解决的技术难题, 并建议了解决方案。

为实现精密机械装置的快速定位, 增加压电直线电机中位移放大结构对压电叠堆输出位移的放大能力, 提出了一种基于二级杠杆和柔性铰链复合结构的新型双足压电直线电机。首先, 对电机的作动原理进行分析, 推导了驱动足轨迹方程。为提高其输出性能, 对直圆型柔性铰链的参数进行了优化, 得到最佳铰链参数为厚度th=0.2 mm、切割半径Rh=1 mm和宽度bh=10 mm。最后, 制作了该电机样机并进行了振幅、速度和负载性能测试, 基于正交试验方法对电机速度进行了分析, 得出电压对电机速度的影响更灵敏。实验结果表明, 驱动足Ⅰ、Ⅱ的位移振幅分别在75 μm和63 μm附近波动, 差值约为12 μm; 在120 V、110 Hz的信号激励下速度达16.163 mm/s, 最大负载能力为1.7 N。与现有的压电直线电机相比较, 该电机结构简单, 易于安装调试, 具有响应快、大振幅、速度大且运行稳定的特点。

针对光学稳像系统的双向动态大行程的设计要求, 本文设计了一种可伸缩双向作动的压电作动器, 并基于此压电作动器设计了二自由度稳像机构。压电作动器由一个收缩式三角位移放大机构和一个伸张式三角位移放大机构组成。位移放大机构可为压电平台提供足够的行程, 柔性铰链可使平台结构更加紧凑。接着, 利用有限元分析软件ANSYS对平台结构进行静力学仿真, 模拟了平台的位移和应力变化。最后对原理样机进行了实验分析, 实验结果显示所设计压电平台在低电压和低频率下有足够大的行程和足够快的响应速度, 作动器在120 V电压下的输出位移在67 μm左右, 基本满足稳像系统的性能要求, 故平台结构的设计方案是可行的。

针对目前光波导封装使用的精密定位平台行程小, 结构与控制系统复杂的问题, 提出了非共振型压电电机驱动的大行程精密旋转定位平台。该平台通过压电电机的连续作动和步进作动两种工作模式来满足大行程和高精度要求。首先对该精密旋转定位平台进行动力学建模, 确定了系统运动方程。然后, 分析其作动机理, 研究影响旋转平台转速的不同因素。最后, 实验研究该精密旋转定位平台的速度、步距、分辨率与负载特性, 确定平台连续作动与步进作动的驱动方式。实验结果表明, 在直流偏置为60 V, 峰峰电压为120 V, 频率为180 Hz的正弦波电压激励下, 该精密旋转定位平台最大转速可达47 963.2 μrad/s, 分辨率和最大负载分别为3 μrad和60 g。与现有的大行程精密定位旋转平台相比, 设计的平台具有行程大, 精度高, 结构简单, 稳定可控, 且装配调试方便, 易于批量化生产等优势。

为了在保持电机精度的同时获得较大作动行程, 提出了一种以叠层压电陶瓷作为激励振动源的压电直线电机。分析了电机的工作原理, 推导了电机驱动足在工作时的运动轨迹。设计安装了电机样机, 并对其定子进行了测试。最后, 在两种激发条件下实验研究了电机的整机性能。结果表明: 单组叠层压电陶瓷激励时, 该样机定子驱动头在接触面法向和切向同时具有振动分量, 并能够在阶跃和连续两种不同激励方式下实现单向大行程直线运动。以锯齿波激励时可实现步进运动, 激励频率为20 Hz时步距为0.1 μm; 以两路相位差π/2的正弦波激励时, 可在1.5 kHz到5.8 kHz的激励频率区间输出稳定连续的直线运动, 其运动速度随激励频率的升高而增大, 在峰-峰值110 V(50 V偏置)的正弦电压激励下其推力可达4.8 N。该电机具有高位置分辨率和宽频率响应, 可以在两种工作模式下分别稳定地实现直线步进和大行程连续运行。

分析与研究了柔性铰链的柔度特性, 用于柔性放大机构的优化设计。提出了一个通用的柔度比参数λ, 探讨了具有不同柔度比λ的柔性铰链主要输出位移形式的灵敏度, 分析了它对常用柔性铰链的柔度特性的影响规律。然后, 以柔性铰链的柔度比λ为基本参数, 在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上, 推导了二级杠杆式柔性铰链放大机构放大率的理论计算方法, 并依据柔性铰链的柔度比特性提出了柔性放大机构的优化设计方法。开展了有限元仿真和实验研究。结果显示, 优化后的柔性放大机构的放大率比优化前的放大率分别提高了0.234和0.23。实验表明, 依据柔性铰链的柔度比λ对柔性放大机构进行优化设计能够有效地提高柔性放大机构的位移放大率与工作行程, 进而提高放大机构的末端运动及定位精度。

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200 V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.

考虑深切口椭圆形柔性铰链比其他常用的柔性铰链更适用于具有大行程要求的柔性机构, 本文对其进行了优化设计。建立了深切口椭圆形柔性铰链的刚度模型, 探讨了结构参数对其转动刚度的影响。分析了深切口椭圆柔性铰链的柔度矩阵, 利用Newton-cotes求积公式简化了柔度系数的计算, 在此基础上构建了多目标加权优化模型, 利用模糊优化设计方法对各结构参数进行了优化设计。优化结果表明: 绕Z轴旋转的角位移提高了16.72%;绕Y轴旋转角位移下降了16.01%;沿X轴、Y轴和Z轴产生的线位移分别下降了10%、29.33%和51.84%。数据显示: 经过优化的柔性铰链在所期望的Z轴方向上的转动能力得到了提高, 同时抑制了其他方向上的运动能力, 从而提高了柔性铰链的整体运动精度和结构柔度, 可用于高精密、大行程光波导封装定位平台。