竖式高精度压电尺蠖式位移致动器

介绍了一种结构简单,易装配的竖式高精度压电尺蠖式位移致动器,阐述了致动器的工作原理和结构形式。致动器采用叠堆式压电陶瓷作为驱动,利用柔性铰链作为箝位,能可靠地实现光轴的双向运动。位移分辨率可达到纳米级别,步距可在纳米级至微米级间任意选择。

一种结构简单的高精度压电尺蠖式位移致动器

介绍了一种结构简单、易装配的高精度压电尺蠖式位移致动器,阐述了致动器的工作原理和结构。致动器采用叠堆式压电陶瓷作为驱动,利用柔性铰链作为位移放大机构,能够可靠地实现光轴的双向运动。位移分辨率可以达到纳米级别,步距可以在几纳米至几毫米之间任意选择。

基于位移放大的压电致动器设计与仿真

压电叠堆致动器广泛用于驱动智能变形装置,由于压电叠堆输出位移小,需要放大结构增大位移输出。设计了一种椭圆形位移放大结构,分析了椭圆长轴、壳体厚度、X方向位移和压电叠堆宽度等结构参数对Y方向的位移输出、应力强度和放大倍数等性能的影响规律,优化了结构参数,并制作了样品。测试数据表明,位移放大结构实现了5.3倍以上的位移放大;分析了放大结构在高频电压驱动下的瞬态响应,模拟了驱动信号频率对位移输出的影响,结果表明,在周期0.01 s的交变电压驱动下,结构的位移输出未出现失真。

尺蠖式压电线性作动器设计及实验研究

针对空间环境下小型抓取操作机构对新型作动器的使用需求,考虑压电作动器具有耐温范围宽、无电磁干扰及断电自锁等特点,仿照昆虫尺蠖的行走方式设计一种新型压电线性作动器。首先,利用柔性铰链式位移放大机构放大压电陶瓷(Pb-Zr-Ti,简称PZT)叠堆的输出位移,以增大线性作动器的移动步长及对导轨的夹紧变形量,将多个压电陶瓷叠堆器件分为3组,分别作为尺蠖式压电线性作动器的2个夹持单元和1个推进单元的激励源,以获得较大的驱动力并进一步增大作动器的移动步长;其次,借助有限元仿真分析软件,研究压电陶瓷叠堆力电耦合行为的预测方法,并实验验证该方法的可行性;然后,简化柔性铰链式位移放大机构,提出放大倍数的数值分析方法,对位移放大机构在压电陶瓷叠堆作动方向上的刚度进行仿真分析,并验证放大倍数的数值分析方法的准确性;最后,基于设计的线性作动器开展实验研究。结果表明:位移放大机构对压电陶瓷叠堆输出位移的放大倍数为7.3,处于理论值与仿真值之间;在激励电压频率为5 Hz时,作动器的最大空载移动速度为413μm/s;作动器的最大推动力为16 N,对应的驱动速度为19μm/s。以上研究结果能为小型抓取操作机构的智能驱动提供技术支持。

面向翼面展开的压电直线位移累积作动器轻量化设计

现代小型制导飞行器中常用的电磁式伺服舵机存在寄生磁场影响导航制导精度,同时其减速机构将增加舵机系统体积与质量的问题,而且电磁舵机的工作温度范围较小。近期发展的一种新型压电直线位移累积高功率密度作动器能够有效解决这些问题。建立了该作动器的虚拟样机模型,通过与实验数据进行对比,验证了虚拟样机模型的可靠性。为使作动器在满足翼面展开需求下质量最轻,采用Isight与Adams联合仿真,对压电作动器的压电堆外径、长度、激振频率等参数进行了优化,最终达到了50.8 W/kg输出功率,实现了与现有伺服电机相当的功率密度。

基于压电陶瓷的新型尺蠖式微位移器的设计

利用压电陶瓷的逆压电效应,基于尺蠖运动原理设计了一种高精度定位的微位移器。本文详细介绍了这种新型尺蠖式微位移器的设计过程。针对当前压电陶瓷驱动电源不能将断电后的压电陶瓷中的电荷放出的缺点,本文所设计的新型放电电路使其放电时间达到毫秒级。通过加入这个放电电路,压电陶瓷将能更快的恢复原形,提高了压电陶瓷的运动精确性。

压电叠堆位移放大致动器的动态特性

为了准确掌握压电叠堆位移放大致动器的动态特性,本文利用谐响应分析、阻抗测试法和动态投影栅线法对其进行分析研究。首先,使用ANSYS分析软件对放大机构的模态和位移随频率变化情况进行有限元分析。然后,运用压电陶瓷的阻抗测试法,对这一压电致动器的阻抗特性进行测量分析。最后通过动态投影栅线法对压电致动器的通放电位移状况进行测量分析。实验结果表明:位移放大机构的谐响应频率为1 724 Hz,能提供较大的输出力矩;压电致动器的谐振频率为8.3 kHz左右,反谐振频率为8.75 kHz左右,它的工作最快响应时间在0.3 ms以内;它能在0.5 ms内完成位移的突变,位移波动小于5μm,且位移量随电压值呈线性变化;放电时的动态位移过程平稳。因此,这一压电致动器具有响应速度快,位移波动小、线性度好、精度高,输出力矩大等较好的动态响应特性,能被广泛应用于各种需要响应快、精度高、位移大的微位移控制驱动系统中,其应用前景值得期待。

菱形微位移压电作动器的输入输出线性建模

针对某定位装置的位移输出问题,研究了一种新型菱形微位移压电作动器,该压电作动器包括压电陶瓷、菱形微位移放大机构以及柔性铰链部分。对菱形微位移放大机构的放大系数进行了分析,发现该放大机构具有把压电堆的原始位移输出从30μm放大到100μm的能力,放大倍数与菱形环自身夹角θ有关,并且在压电堆输出范围内为比例放大,这些结果可以为更大放大系数的菱形环设计提供依据。建立了该菱形微位移压电作动器输入输出关系的理论线性模型,并将线性模型的模拟结果与实验结果进行了对比,证明该压电作动器线性模型具有较好的精度,能比较准确地反映微位移压电作动器的输入输出关系。

双向变步长大位移压电作动器

提出一种基于蠕动式运动原理的新型双向变步长的大位移压电作动器,建立了该作动器的动力学模型。在30Hz作动频率下,采用MATLAB-SIMULINK软件进行了仿真。设计了含有高电压驱动器的作动器实验系统,作动器样机整体机构由嵌位部分、作动部分和轨道间距微调部分组成。研究结果表明,该作动器实际可提供±8mm的双向往返运动,实际作动曲线与计算机仿真结果在0.1μm级精度条件下吻合良好。

分割电极片状压电致动器——(一)端部位移和电场诱导应力的理论研究

研究了悬臂梁式分割电极片状压电致动器的位移特性。沿厚度方向极化的ＰＺＴ压电陶瓷薄长片，一端固定、一端自由构成悬臂梁。其上下两表面的电极均沿长度方向分割成对称的两部分。施加电场使其中一半在ｄ３１模式作用下伸长，而与其对称的另一半缩短，则压电片沿宽度方向产生弯曲，自由端便可产生致动位移。理论分析结果表明，在适当的驱动电场（不低于１００Ｖ／ｍｍ）作用下，毫米尺寸的致动器可产生微米量级的端部致动位移。电场诱导应力远小于材料的抗张强度。该分割电极压电致动器可用于精密定位，尤其适合在高密度硬磁盘驱动器的磁头定位两级伺服系统中作第二级致动器。

压电作动器在微力微位移装置中的应用

在微力微位移装置中采用闭环控制压电作动器实现微位移进给和微力加载 ,设计了加载机构 ,建立加载机构的压电作动器输入电压、加载装置输出位移和输出力之间的关系。通过电容测位移仪检测输出位移 ,实验得到加载系统刚度 ,根据压电作动器输入电压、加载装置刚度 ,计算出加载力大小。

一种大力矩大位移微纳压电致动器的瞬态响应

基于三角放大原理,利用压电叠堆设计并制造了一种具有高精度大力矩、大位移的致动器,并对其动静态特性进行测试分析。文中还采用Ansys、Matlab软件以及动态投影栅线法,从理论和实测两个方面对该致动器在加载电压和撤除电压时的瞬态响应特性进行了分析和测试,理论分析和实测结果吻合度较高。该压电致动器在通入激励电压时,响应速度快,电压-位移的线性度好;在撤除激励电压时,响应特性过程平稳。为该致动器广泛运用于微纳控制系统中,成为微纳系统中可靠、快速的大位移大力矩驱动部件的应用前景提供了依据。

直线型超声波电动机压电作动器的位移特性研究

由于压电作动器的位移特性对直线超声波电动机的性能有较大的影响,以单层和叠堆压电陶瓷作动器为对象,分别通过理论和计算机模拟对其位移特性进行分析,得出了影响压电作动器位移特性的主要因素,为研制新型叠堆压电陶瓷作动器和开发精密直线型超声波电动机提供理论参考。

层叠式PVDF压电作动器及圆柱壳的振动主动控制

设计了一个层叠式PVDF压电作动器用于壳结构的振动控制。考虑压电层、粘接层、壳体耦合关系,推导了表面局部粘贴层叠式PVDF压电作动器的圆柱壳的振动控制方程,给出了作动力与压电层和粘接层层数、厚度之间的关系以及作动力与作动器粘贴位置之间的关系。针对一端固定、另一端自由的圆柱壳,进行了振动控制仿真。结果表明层叠式PVDF压电作动器作动力与作动器层数近似成线性关系,增大作动器层数能有效增大作动力,在低控制电压下能显著抑制圆柱壳振动,作动器周向不完全粘贴时,在径向产生的径向作动力对壳体横向振动控制非常有利。说明了层叠式PVDF压电作动器是一种可用于壳体结构振动并具有良好作动效果的作动器。

提高蠕动式压电直线驱动器输出力的研究进展

蠕动式压电直线驱动器具有大位移行程和高位移分辨率的特点,但是箝位机构利用静摩擦力输出负载的方式大大限制了系统的进给刚度和输出推力。从箝位机构的结构类型、运动方式以及和新材料新技术的交叉应用等方面,介绍了几种典型尺蠖驱动器的研究进展,为提高系统的输出力,指出了今后的研究方向。

压电陶瓷微位移作动器机械特性的研究及改进

本文对应用于误差补偿的压电微位移作动器，从机械结构的角度分析了其静动态特性，指出了其缺点，给出了结构设计基本原则，并设计出一种静动态特性均有改善的微位移作动器结构。

基于压电迟滞对称性的线性微位移控制作动器

针对目前压电微位移控制系统中普遍存在的模型非线性、系统复杂或不稳定等缺点,提出了一种基于压电迟滞对称性及单向单回路循环的微位移线性控制系统。首先利用压电迟滞效应中回路正调曲线与逆调曲线之间的轴对称性质,使二个性能一致的压电位移作动器位于回路的对称点,其迟滞非线性效应得以相互抵消,从而使其总的位移输出与输入驱动电压呈线性关系;其次,在控制策略的选择上,为避免因次级回路的出现而导致的复杂性与不稳定性,并保证压电系统的输出精度,位移调节过程中仅采用一个确定的主回路,且二个位移作动器均按此主回路的单向逆时针方向调节;依据所提出的模型和算法,进行了实验验证,并对误差进行了分析与补偿;结果表明模型位移输出精度达到nm级,最大误差15 nm,平均误差约0 nm;同时该模型还具备结构简单、计算量小、易于实现、输入与输出为线性关系等优点。

分割电极片状压电致动器——(二)位移特性及狭缝宽度对其影响的实验研究

研究了悬臂梁式分割电极片状压电致动器的位移特性。理论分析表明，分割电极狭缝宽度会减小致动器自由端的位移输出，但当狭缝宽度小于致动器电极宽度的１０％时，可忽略狭缝宽度的影响。致动器端部位移的测试结果大于理论计算值。与现有磁头悬浮臂尺寸相近的致动器，在２０Ｖ～５０Ｖ的电压驱动下均可获得１μｍ～２μｍ的致动位移。对９８５０道／厘米的密度磁盘，该位移能覆盖至少一个磁道宽度，满足磁头定位两级伺服系统对第二级致动器位移的基本要求。

菱形微位移压电作动器输入输出杂交建模

针对某定位装置,研究了一种新型菱形微位移压电作动器,该压电作动器由压电堆、菱形位移放大机构以及柔性铰链组成。菱形微位移压电作动器的核心驱动部件为压电堆,由于压电材料的迟滞特性,菱形压电作动器具有非线性迟滞特性。为了消除迟滞对压电作动器在后续控制中的影响,发展了一种Preisach杂交建模的方法,该方法在传统Preisach模型的基础上,有效结合了Preisach离散模型和支持向量机(support vector machine,简称SVM),建立了微位移压电作动器输入输出杂交模型。试验结果表明,SVM有效解决了因1阶滞回曲线数量不足而导致Preisach模型精度低的问题,同时与传统Preisach模型相比,杂交建模能更准确地描述迟滞特性,具有更高的精度。