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
1 中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川绵阳62999
2 中国工程物理研究院，四川绵阳61999
为了实现动态加速度与时变振动环境的综合模拟，研制了一套适应动态加速度场的轻量宽频激振装置。首先提出了压电-液压串联复合激振方法和装置构型，解决了传统激振方法“宽频不轻量、轻量不宽频”的难题。设计了六单元并联压电激振模块，建立了精密装调工艺，并联激振效率达到74.2%。为满足动态加速度环境下的宽频激振需求，提出液压内嵌式定中方案，研制了具有“缸中缸”构型的液压激振模块。基于分频器，提出了串联复合激振系统的分频控制方法，实现了压电、液压激振模块的协调工作、均衡出力。以力平衡控制结合零位移反馈补偿控制，提出了液压激振模块定中控制方法，实现了动态加速度环境下的精确定中。提出了变增益、长时波形再现两种时变振动控制方法，研制了一体化的控制系统。测试结果表明，串联复合激振装置在离心加速度不低于60 g、加速度变化率不低于15 g/s工况下，分别实现了50 kg负载下的6 grms振动加速度、10~2 000 Hz频率范围的宽频激振。该装置已应用于多项惯性器件、组件和系统的环境试验考核，载荷控制效果良好。相比飞行试验，本文成果为飞行器制导、控制系统功能性能考核提供了高效经济的实验室手段，特别在大样本数据获取方面具有优势。
压电激振 液压激振 柔性机构 微位移放大 离心机 hydraulic excitation piezoelectric excitation compliant mechanism micro-displacement amplification centrifuge 光学 精密工程
2023, 31(22): 3318
宁波大学 机械工程与力学学院, 浙江 宁波 315211
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。
快速伺服刀架 柔顺机构 二维运动 有限元分析 压电陶瓷驱动器 fast servo tool compliant mechanism 2-DOF motion finite element analysis piezoelectric ceramic driver
1 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海20600
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033
3 格鲁斯特大学 计算与工程学院，英国 切尔滕纳姆GL50 2RH
4 上海交通大学 机械与动力工程学院 机械系统与振动国家重点实验室，上海20020
为了克服音圈电机电磁驱动柔顺微定位平台在大行程范围内存在的低阻尼谐振和动力学特性差异等问题，利用综合数据驱动频域逆迭代前馈补偿和含相位超前校正PI反馈控制的复合闭环频域逆迭代学习控制方法对其进行高速高精控制。首先，搭建了音圈电机驱动双平行四边形柔性机构微定位系统，并针对不同工作点位进行了动力学模型辨识。然后，为提高系统相对稳定性，设计了含相位超前校正环节的PI反馈控制器。同时，利用输入输出数据对系统频响函数进行在线逆估计并进行前馈补偿，来进一步消除谐振的影响。最后，利用所提出的控制方法进行了跟踪实验并与其它方法进行了对比。实验结果表明，提出的控制方法对三角波期望轨迹的最大跟踪误差为0.175%，相比于PID控制、相位超前PI控制、传递函数逆模型前馈控制，跟踪均方根误差分别减少了8.75，5.43和2.21倍，能够较好满足大行程微纳米定位跟踪精度高、速度快、抗干扰能力强的要求。
音圈电机 微定位平台 柔性机构 相位超前 频域逆迭代 voice coil motor micro-positioning stage compliant mechanism phase-lead frequency-domain inverse iteration
福州大学 机械工程及自动化学院, 福建 福州 350116
研究了空间机器人在轨捕获非合作航天器过程避免关节受冲击破坏的避撞柔顺控制问题。为此在关节电机与机械臂之间配置了一种柔顺机构——旋转型串联弹性执行器(RSEA), 可通过其内置弹簧的变形来吸收捕获过程目标航天器对空间机器人关节产生的冲击能量; 结合所设计的开、关机控制策略可保证关节冲击力矩受限在安全范围内。首先利用拉格朗日方法及牛顿-欧拉法分别获得了捕获前空间机器人及目标航天器的分体系统动力学模型; 之后, 结合冲量定理、系统运动几何关系及力的传递规律, 建立了捕获后两者形成混合体系统的动力学模型, 并计算了碰撞过程的冲击力矩; 最后, 基于无源性理论提出了一种神经网络鲁棒H∞避撞柔顺控制策略以实现失稳混合体的镇定控制。数值仿真结果表明, 配置柔顺空间机器人在捕获碰撞阶段最大可减小61.9%的关节冲击力矩, 最小也可减小47.8%; 而在镇定运动阶段, 各关节冲击力矩均受限在安全范围内, 实现了对关节有效地保护。
柔顺机构 空间机器人 捕获航天器操作 无源性理论 避撞柔顺控制 神经网络鲁棒H∞控制 compliant mechanism space robot capture spacecraft operation passivity theory collision avoidance compliant control neural network robust H-infinity control
上海交通大学 机械与动力工程学院, 上海 200240
为了解决音圈电机驱动的快速反射镜在大行程运动中电机动子和定子碰撞的问题, 设计了新型的快速反射镜柔性机构, 即采用柔性解耦机构来消除电机动子的横向位移。针对快速反射镜在大行程运动中由于力-位移的非线性特性而导致的共振频率随位置而变化的问题, 设计了变值陷波滤波器来消除随位置变化而改变的共振模态的影响, 并通过比例积分控制器实现闭环控制。与常值陷波滤波器相比, 变值陷波滤波器的共振频率为快速反射镜运动位置的函数。通过有限元分析和实验比较了采用常值和变值陷波滤波器时快速反射镜的带宽性能。实验结果表明, 采用常值陷波滤波器时, 当系统的运动位置小于15.2 mrad时, 快速反射镜沿θx和θy轴的带宽分别在95 Hz和110 Hz左右; 当系统运动到18.2 mrad时, θx和θy轴的带宽分别骤降为4792 Hz和571 Hz。采用变值陷波滤波器时, 快速反射镜沿θx和θy轴的带宽基本稳定在95 Hz和110 Hz, 说明了在运动行程较大的快速反射镜系统中设计变值陷波滤波器的必要性和有效性。
快速反射镜 音圈电机 柔性机构 大行程 陷波滤波器 fast steering mirror voice coil motor compliant mechanism broad range of motion notch filter
江西理工大学 机电工程学院, 江西 赣州 341000
基于柔顺机构设计了一种新型压电式微喷点胶系统, 该系统由供胶装置、驱动装置和撞针阀组成。点胶系统的运动特征是利用柔顺机构的弹性变形驱动撞针往复直线运动实现撞针阀的开启和闭合, 完成微喷点胶功能。采用伪刚体方法得到点胶系统的驱动力、输出位移和频率特性, 结果表明, 系统的最大驱动力、输出位移和频率分别为56.4 N, 808 μm, 245 Hz, 说明所设计的点胶系统能满足所需的驱动力、行程和点胶速度。制作样机, 通过实验分析驱动电压信号的占空比、幅值、频率和胶液黏度对胶滴直径的影响, 得到了正常胶滴形成需满足的条件。实验结果表明: 系统的最高点胶频率为210 Hz, 最小胶滴直径为630 μm, 胶滴一致性误差为5.62%, 说明所设计的点胶系统具有较好的性能, 为微喷点胶系统设计和应用提供新的思路。
微喷点胶系统 柔顺机构 压电驱动器 伪刚体方法 micro-spray dispensing system compliant mechanism piezoelectric actuator pseudo rigid body method
佛山科学技术学院 机电工程学院, 广东 佛山 528225
柔顺桥式位移放大机构因结构紧凑、位移放大倍数大等优点已成为精密工程领域的研究热点。针对以往研究仅在线性范围内讨论桥式位移放大机构的设计与分析的问题, 本文对典型集中柔度桥式位移放大机构进行了非线性建模与优化。考虑剪切作用与几何非线性, 通过能量法、有限单元法与数值拟合, 对机构的输入输出关系进行半解析建模, 以实现非线性结果的快速预测。为实现输出位移最大化与抑制几何非线性作用, 提出机构平面内尺寸与厚度的综合优化策略。ANSYS Workbench有限元仿真显示, 机构非线性建模误差均在5%以内且优化结果具备有效性。本文提出的两步法半解析非线性建模方法以及平面内尺寸和厚度的综合非线性优化策略对其它复杂柔顺机构的非线性结果快速预测与优化设计具有参考意义。
柔顺机构 位移放大机构 剪切作用 几何非线性 优化 compliant mechanism displacement amplification mechanism shearing effect geometrical nonlinearity optimization
安徽理工大学 机械工程学院, 安徽 淮南 232001
针对传统微纳测量装置在测量过程中测头支撑机构刚度不可变化的问题, 设计了一种基于悬丝约束支撑的变刚度微纳测头。利用压电装置驱动柔顺导向机构产生位移, 以改变悬丝所受的轴向张紧力。基于应力刚化原理改变悬丝的横向刚度, 进而改变测头支撑机构的整体刚度, 以获得具有变刚度性能的新型微纳测头。根据测头支撑机构在测量过程中刚度的变化, 分别建立刚性和柔性模式下微纳测头Z向和横向的刚度理论模型。根据有限元仿真和刚度理论模型, 分别得到测头刚度随悬丝端面受力的变化曲线。对比测头刚度的仿真值和理论值, 得到测头Z向和横向刚度的平均相对误差分别为2.41%和4.72%, 结果表明理论模型具有较高的准确性。研究成果为该类型测头的变刚度控制奠定了前期理论基础。
变刚度 悬丝支撑 柔顺机构 应力刚化 刚度模型 variable stiffness suspending wire support compliant mechanism stress stiffening stiffness model
江西理工大学 机电工程学院, 江西 赣州 341000
针对普通尺蠖式直线微驱动器运动速度低和输出力小等问题, 基于柔顺机构设计了一种新型尺蠖式直线微驱动器。微驱动器由箝位机构、驱动机构和输出轴组成, 其运动特点是驱动机构驱动箝位机构进行往复直线运动, 箝位机构带动输出轴作直线运动。箝位机构和驱动机构均采用柔性杠杆结构, 保证了微驱动器所需的箝位力与驱动力, 并提高了其运动速度。采用伪刚体方法建立了驱动电压与箝位力、驱动机构输入位移与输出位移之间的关系, 根据功能原理建立了输入力与驱动力之间的关系并制作了样机, 搭建了实验测试系统进行性能测试, 测试结果表明, 驱动器最大箝位力为216.43 N, 最大驱动力为13.5 N, 在驱动电压120 V, 频率95 Hz时, 达到最大速度48.91 mm/s。
尺蠖驱动器 柔顺机构 杠杆机构 伪刚体方法 inchworm actuator compliant mechanism lever mechanism pseudo rigid body method
