南京航空航天大学 机电学院,江苏 南京 210016
针对现有压电振子驱动的共振隔膜泵中存在隔膜往复运动位移及位移放大比小的问题，该文设计出一种可应用于共振隔膜泵的大位移压电叠堆执行器，利用压电叠堆作电-机转换器，提高其响应速度，采用矩形弹簧结构，保证系统稳定性，提高系统的一阶固有频率。建立压电叠堆执行器的数学模型，并分析了系统的位移放大比和各阶固有频率，测试了样机的相关性能。实验结果表明，在输入激励信号幅值60 V、频率510 Hz的正弦信号下，该压电叠堆执行器输出位移为154 μm，位移放大倍数为18.11倍，研制的压电叠堆执行器具有较高的响应速度及较大的输出位移，可用于提升共振隔膜泵的输出性能。
压电叠堆执行器 压电叠堆材料 位移放大 谐振驱动 共振隔膜泵 piezoelectric stack actuator piezoelectric stack material displacement amplification resonant drive resonance diaphragm pump
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
1 大连理工大学 电子信息与电气工程学部，辽宁 大连 116024
2 大连理工大学 电气工程学院，辽宁 大连 116024
该文提出了一种基于弹簧振动平台的上变频压电俘能器，解决了低频振动能量收集效率低的问题。分析了压电悬臂梁输出功率与激励频率的三次方正相关，解释了采用上变频收集低频振动能量的原因。应用赫兹接触理论分析了拨片与压电悬臂梁的接触力，建立了拨动式激励的压电俘能器机电耦合模型。在综合考虑重叠长度和拨片厚度等影响因素后，选取厚度0.1 mm矩形不锈钢拨片。实验表明，在1g(g=9.8 m/s2）、5.67 Hz的激励信号下,单拨动式上变频V25W型压电悬臂梁输出功率可达9.6 mW，具有很强的低频能量收集性能。
压电悬臂梁 能量收集 低频振动 上变频 振动位移放大 piezoelectric cantilever beam energy harvesting low frequency vibration frequency up-conversion vibration displacement amplification
1 浙大宁波理工学院 机电与能源工程学院, 浙江 宁波315100
2 浙江大学 机械工程学院, 浙江 杭州310027
3 宁波市博尔法液压有限公司, 浙江 宁波315502
以压电执行器为核心的高速开关阀及伺服阀等压电式液压阀具有频响高, 微动性能好, 结构紧凑等优点, 是新型阀控类型之一, 受到国内外研究者的持续关注。首先, 该文介绍了阀用压电执行器的分类和特点, 根据工作原理分为直推式和步进式2类4种形式; 其次, 对先导型、直动型、喷嘴挡板型和开关型4种典型压电阀的研究进展进行了梳理, 分析了各自的代表性结构、性能特点。结果表明, 随着未来对液压阀精密化、智能化需求的提升, 压电液压阀的应用前景更广。因此, 除高性能介电材料开发外, 如微位移放大、迟滞补偿控制等关键压电驱动与控制技术仍有待深入研究。
压电陶瓷 压电执行器 液压阀 位移放大 迟滞特性 piezoelectric ceramic piezoelectric actuator hydraulic valve displacement amplification hysteresis characteristic
北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室, 北京 100081
基于机械杠杆的位移放大效应, 提出了一种具有微杠杆结构的电容检测式微机械陀螺结构, 所设计的杠杆放大机构设置在陀螺的检测模态中, 通过杠杆将科氏质量块的检测位移放大传递到检测框上, 以提升检测位移。建立杠杆结构陀螺的二阶振动微分方程, 分析了杠杆结构对微机械陀螺结构静刚度和固有频率的影响, 探讨了在不同结构条件下杠杆结构对检测位移的放大效果。通过仿真验证了理论的准确性与可行性, 结果表明, 在陀螺谐振情况下, 可有效增大检测框位移60%以上, 提升了检测位移, 进而提升检测灵敏度。
微机械陀螺 微杠杆 位移放大 阻尼比 谐振 micromachined gyroscope micro-lever displacement amplification damping ratio resonance
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
1 南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室, 江苏 南京 210016
2 华侨大学 机电及自动化学院, 福建 厦门 361021
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。
光学稳像 二维平台 压电直线作动器 位移放大机构 Optic image stabilization two-dimension platform linear piezoelectric actuator displacement amplification institution
华南理工大学 广东省精密装备与制造技术重点实验室, 广东 广州 510641
采用新型高精度类V型柔性铰链设计了柔性微位移放大机构,以减小该类机构的寄生运动并提高其动力学性能。对类V型柔性铰链与最常见的高精度直圆型柔性铰链的性能进行了比较; 在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上, 基于弹性力学和材料力学理论推导了基于类V型柔性铰链和基于直圆型柔性铰链的两类二级杠杆式微位移放大机构的放大比。采用ANSYS软件, 建立了放大机构的有限元模型, 验证了位移放大比的理论推导, 并对上述两类放大机构的位移放大比、寄生运动和固有频率进行了仿真和比较。有限元分析结果显示: 基于类V型柔性铰链的放大机构有着更小的寄生运动和更高的固有频率, 且前2阶固有频率分别是基于直圆型柔性铰链放大机构的1.68倍和1.41倍。最后, 采用微视觉测量系统测量了两类放大机构的位移放大比和寄生运动。结果表明: 基于类V型和直圆型柔性铰链放大机构的放大比和相对寄生运动比分别为4.387、4.529和0.314 7、0.334 2, 显示类V型柔性铰链用于微位移放大机构可有效减小寄生运动并提高动力学性能。
位移放大机构 类V型柔性铰链 直圆型柔性铰链 寄生运动 固有频率 displacement amplification mechanism quasi-V-shaped flexure hinge right circular flexure hinge parasitic motion inherent frequency
1 中国工程物理研究院 总体工程研究所, 四川 绵阳 621999
2 西安交通大学 机械工程学院, 陕西 西安 710000
研究了压电位移放大机构的运动学和动力学建模问题。基于能量守恒原理和弹性梁弯曲理论推导了桥式位移放大机构的位移放大比等静力学解析模型; 在此基础上, 通过拉格朗日方程建立了桥式位移放大机构的固有频率解析模型。通过有限元计算验证和分析了提出的解析模型的可行性和优越性, 并与国内外典型的位移放大比数学模型进行了比较。结果表明: 由于本文提出的模型考虑了位移放大机构的拉伸和弯曲变形, 并且摒弃了国内外普遍采用近似几何关系进行数学推导的思路, 因此所建立的位移放大比解析模型精度更高; 固有频率解析计算结果与有限元模态分析结果的相对误差约为5%。得到的结果显示: 本文给出的建模方法以及位移放大比、固有频率等解析模型可为柔性机构的优化设计和研制提供依据和参考。
压电执行器 微位移放大 柔性机构 柔性铰链 力学解析 有限元分析 piezoelectric actuator displacement amplification compliant mechanism flexure hinge mechanical analysis finite element analysis
南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室, 江苏 南京 210016
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.
叠层压电陶瓷 压电微位移放大 三角位移放大 双向作动 laminated piezoelectric ceramic piezoelectric micro displacement amplification triangle displacement amplification two-way movement
