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
1 西安交通大学 机械工程学院, 陕西 西安 710049
2 西南科技大学 制造科学与工程学院, 四川 绵阳 621010
为了解决离子电导显微成像系统中传统跳跃工作模式高速扫描时存在的运动过冲以及成像速度慢的问题, 提出了一种基于双压电纳米定位平台的高速扫描方法。根据扫描系统需求提出了采用大行程-慢速和小行程-快速压电纳米定位平台串联的设计方案, 满足探针Z向测量量程要求并可快速回提探针。以菱形位移放大机构和导向机构为构型, 设计并确定双压电驱动扫描平台的关键几何参数。基于解析模型计算了定位平台的静力学性能参数并采用有限元分析方法分析了双压电平台的静/动态特性。最后, 加工了双压电平台样机并进行了离子电流过冲和形貌扫描成像的测试。实验结果表明: 所设计的双压电驱动探针定位平台在保证成像稳定的前提下可使下探速度至少达到500 nm/ms,有效地减小了电流过冲, 提高了系统成像效率。
离子电导扫描成像系统 双压电扫描器 位移放大机构 跳跃工作模式 ion conductance microscopy imaging system dual-nanopositioning stage amplification mechanism hopping mode 光学 精密工程
2020, 28(10): 2203
1 厦门大学 深圳研究院, 广东 深圳 518057
2 厦门大学 机电工程系, 福建 厦门 361102
为了满足电子封装产业对胶体高速、微量分配的需求, 设计了一种基于圆弧柔性铰链放大机构的双压电陶瓷驱动喷射点胶阀。首先, 利用有限元分析软件对放大机构输出位移和模态进行了计算与分析。针对其高频需求, 讨论了结构参数对其影响因素。基于微元法并结合喷嘴内胶体动力学分析, 建立了喷嘴内胶体喷射的流体力学模型。结合阀杆与阀座配合的仿真模型, 利用FLOW-3D的流固耦合仿真, 揭示了喷射点胶时胶点的成型过程。在此基础上探究了胶体喷射时喷嘴处压力的变化与流速的关系, 为点胶阀参数的控制和优化奠定了基础。最后, 搭建了喷射系统实验平台, 选用黏度为180 cps的胶体进行点胶性能测试, 得出了供料压力和驱动方波频率对胶点尺寸的影响规律。实验结果显示, 在供料压力为6 bar, 驱动方波幅值频率360 Hz等参数下, 获得胶点最小直径为525 μm。同时, 在380～400 Hz的频率区间内进行高频喷射实验, 能够获得均匀微小的圆形胶点。实验结果验证了该圆弧柔性铰链放大机构的双压电驱动点胶阀的高频、微量喷射性能, 为压电高频喷射点胶的应用和研究提供了参考。
电子封装 压电驱动 高频点胶 位移放大机构 electronic packaging piezoelectric driving high frequency dispensing displacement amplifier
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 黑龙江大学 电子工程学院, 哈尔滨 150080
2 黑龙江大学 光纤传感技术国家地方联合工程研究中心, 哈尔滨 150080
3 黑龙江大学 数据科学与技术学院, 哈尔滨 150080
针对采用悬臂梁或变形圆环作为光纤光栅位移传感器的弹性形变结构时, 位移灵敏度较低的问题, 采用新型的椭圆位移放大机构对位移探杆的微小位移量进行放大, 改变椭圆放大器的机械尺寸调整传感器的位移分辨率.当椭圆位移放大机构的长度为60 mm, 宽度为19.8 mm, 中间最大宽度为30 mm时, 探杆的机械位移放大倍率约为2倍.当量程变化为0~100 mm时, 实验测得光纤光栅位移传感器的分辨率为6.1 pm/mm, 位移量和对应波长移动线性相关系数为0.998 52.适于机械装备和土木工程的结构位移高精度在线监测.
光纤光栅 位移传感器 椭圆位移放大结构 Fiber Bragg grating Displacement sensor Elliptical displacement amplifying structure 光子学报
2018, 47(11): 1106002
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
