单输入多输出式压电微夹钳的结构设计与分析

文章对现有压电微夹钳结构及位移输出特性进行分析,设计了一种单输入多输出式压电微夹钳。该单输入多输出式压电微夹钳具有结构简单、输出位移可选、振荡小、不易破坏操作对象等优点。文章详细介绍了该微夹钳的结构,并建立起了位移放大倍率模型;利用ANSYS仿真软件对所设计的微夹钳进行分析,仿真结果如下:z方向施加1×10^(-5)mm位移后,钳指指尖顶端可分别产生3.2×10-5mm和5.1×10^(-5)mm位移量;施加间隔为10V的驱动电压,得出其前6阶固有频率,仿真值与解析值具有较高的吻合度,验证了该压电微夹钳结构的可行性与所建数学模型的正确性。

压电微夹钳钳指位移与夹持力的检测

为避免在利用压电微夹钳夹持微对象过程中可能造成微对象的损伤或脱落,提出用电阻应变片来检测压电微夹钳的钳指位移与夹持力。采用柔性杠杆放大机构设计了微夹钳,该微夹钳结构微小且紧凑、钳指可平动、指尖夹持灵敏度高。基于悬臂梁弯曲变形理论及有限元方法,分析了用于检测钳指位移与夹持力的微夹钳弹性敏感单元的应变特性。分析结果表明:敏感单元的最大应变部位靠近其底端,钳指位移与夹持力同敏感单元的应变成正比;实验标定了钳指位移与夹持力同弹性敏感单元应变的关系,标定结果表明两种关系均为线性关系;最后实验测试了钳指位移与夹持力的大小。结果表明:在150V的最大电压下,不夹持微对象时钳指的最大位移为78.35μm,夹持Φ0.3mm、长8mm的微轴时钳指的夹持力为9.24μN。

压电微夹钳的位移自感知反馈复合控制

采用自感知方法获取压电微夹钳钳指位移,构成自感知反馈复合控制系统。根据反映钳指位移、表面电荷、夹持力、驱动电压之间关系的压电悬臂梁Smits方程,提出了基于电流积分的钳指位移自感知方法;引入死区算子对传统PI模型进行改进,建立了压电微夹钳钳指位移的迟滞模型;以对偏差的抛物线积分、对输出的先行微分分别代替常规PID控制器中的积分项和微分项,设计出了压电微夹钳的改进PID反馈控制器;将前馈控制器与PID反馈控制器相结合,并采用自感知反馈方式,设计出了压电微夹钳的闭环控制系统。实验结果表明：在自感知反馈复合控制作用下,压电微夹钳对5μm阶跃参考位移的响应时间为0.24 s,若不考虑噪声影响,稳态误差几乎为零;在最大位移为14.7μm的变幅值三角波参考位移以及最大位移为14.1μm的任意波形参考位移作用下,压电微夹钳的自感知反馈复合控制亦可取得良好的控制效果,其稳态误差中线在-0.02-0.04μm之间变化。自感知反馈控制的实验结果与传感器反馈控制基本相同,从而表明压电微夹钳的自感知反馈控制是有效的。

串联死区算子的压电微夹钳PI迟滞模型

针对Prandtl-Ishlinskii（PI）模型要求被描述对象的初载曲线为凸函数,且模型与其逆模型都应关于算子中心对称的不足,通过引入死区算子对PI模型进行改进,以使其更好地描述具有非凸、非奇对称的压电陶瓷材料的迟滞特性。基于实测的压电微夹钳初载曲线,采用等分阈值方式,并通过使改进PI模型与实测初载曲线间的误差函数为最小,辨识出改进PI模型的参数,建立了压电微夹钳的迟滞模型。实验结果表明,在微夹钳15.2μm的最大位移范围内,模型误差的变化范围为-0.310～0.156μm,所建模型能很好地描述压电微夹钳的迟滞特性。

四自由度压电微夹钳的设计

为降低微夹钳前端执行机构的复杂度,探索四自由度压电微夹钳的实现问题。通过在被设计成夹钳形状的两个压电单晶片的非黏结面上制作相互绝缘的驱动电极,且使两个非黏结面上驱动电极相互对齐的方法,设计出了可同时产生夹持方向与垂直于夹持方向位移的四自由度压电微夹钳;采用压电悬臂梁变形理论,推导出了钳指位移同钳指几何参数、驱动电压的关系,进而在对钳指进行尺寸优化的基础上,采用有限元方法分析了其静动态特性;最后,对微夹钳的静动态特性进行了测试,结果表明:当驱动电压为60 V时,左钳指、右钳指在夹持方向上的位移分别为25.7μm、26.1μm,左、右钳指在垂直于夹持方向上的位移分别为33.5μm、32.8μm,钳指位移具有很好的重复性;微夹钳在夹持方向和垂直于夹持方向的固有频率分别为2.35 k Hz、0.62 k Hz;在15 V的阶跃电压作用下,微夹钳在夹持方向和垂直于夹持方向的响应时间均为0.23 s。

基于柔性放大机构的压电微夹钳研究

基于钳指可平动并能感知钳指位移与夹持力的要求,采用柔性放大机构对压电微夹钳进行了结构设计。基于ANSYS的压电耦合场分析技术,对压电微夹钳的静动态特性进行了分析表明,在200V的最大驱动电压下,钳指最大位移为233.9μm;在20V的阶跃驱动电压下,钳指的稳态位移为20.6μm,响应时间为0.1s;通过实验对压电微夹钳的静动态特性进行了测试,结果表明,在150 V的驱动电压下,钳指位移为78.4μm,夹持0.3mm×8mm微轴所产生的夹持力为9.2mN。

四自由度压电微夹钳的结构设计及尺寸参数优化

为提高微夹钳操作微对象时的灵活性,探索四自由度压电微夹钳的实现问题,将制成相应形状并分割驱动电极的两片压电陶瓷晶片进行粘结,制作出微夹钳,并将两组空间垂直交叉的横向逆压电效应作用于钳指上,使单个钳指产生夹持方向和垂直于夹持方向的微位移,从而使整个微夹钳(两个钳指)具有4个自由度.在综合考虑微夹钳输出位移、固有频率、制作工艺的情况下,采用有限元分析方法,对钳指长度、宽度、厚度进行了优化,对优化后微夹钳的输出位移和振型进行了分析.对微夹钳的输出位移进行了测试,结果表明:在60 V的最高驱动电压作用下,左、右两钳指沿夹持方向的最大位移分别为25.6μm、24.3μm,沿垂直于夹持方向的最大位移分别为32.1μm、30.9μm;两钳指的输出位移具有良好的重复性.

压电微夹钳的迟滞及蠕变补偿

为提高压电微夹钳的操作精度,对其迟滞及蠕变误差进行补偿。基于压电材料迟滞曲线的非对称性,为提高微夹钳迟滞模型的精度,采用升回程分别建模的方法,建立了微夹钳的Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型,对迟滞误差进行了补偿。在综合考虑模型简单且具有较高精度的前提下,采用二阶惯性环节建立了微夹钳的蠕变模型,设计出无需求蠕变逆模型的补偿器,对蠕变误差进行了补偿。实验结果表明,在最大位移为120μm时,钳指位移的迟滞误差由补偿前的-11.8～10.7μm减小为-1.7～1.0μm;在900 s作用时间内,钳指位移的蠕变由补偿前的4μm几乎减小为0。

基于自感知反馈的压电微夹钳PID控制

为了避免应用外部传感器,采用自感知方式实现压电微夹钳的闭环控制.压电微夹钳钳指在电压与外力作用下输出位移并在其表面产生电荷,据此提出了基于电流积分的钳指位移自感知方法;将PID控制器中的矩形积分改为抛物线积分,对偏差的微分改为对输出的微分,设计出了压电微夹钳的改进PID控制器,并将其同自感知反馈方式相结合,设计出了压电微夹钳的自感知反馈控制系统.实验结果表明：在自感知反馈控制作用下,压电微夹钳对5μm阶跃参考位移的响应时间为0.34 s,若不考虑噪声影响,稳态误差几乎为零;在最大位移为14.1μm的任意波形参考位移的作用下,压电微夹钳的自感知反馈控制亦可取得良好的控制效果,其稳态误差中线在-0.06~0.05μm之间变化.

多层压电微夹钳设计与静动态特性分析

针对压电单晶片微夹钳和压电双晶片微夹钳的缺点,设计了一种新型多层压电悬臂梁微夹钳,具有结构简单、输出位移行程大、振荡较小、不易破坏操作对象等优点。确定了压电材料与中间黄铜基板的具体型号、具体尺寸,使多层压电微夹钳的性能达到最优。利用ANSYS仿真软件对所设计多层微夹钳的静动态进行分析,仿真结果如下:施加120 V的驱动电压,单钳指尖顶端最大可产生177.8μm的位移量,双钳指则可实现355.6μm的夹持行程;施加频率为10000 Hz,幅值为3.25 V的驱动电压,得出其前10阶固有频率,其一阶固有频率即可满足实际工程中大部分操作的应用;施加幅值为60 V(每片压电晶片为60 V)、频率为0~2000 Hz的扫频信号,其一阶固有频率与前面模态分析的结果基本相同;施加幅度为15 V(每层压电晶片为15 V)、持续时间为0.2 s的阶跃电压,其位移响应较平坦,无振荡。

四自由度压电自感知微夹钳的设计

为提高压电微夹钳操作的灵活性,省掉用于检测其位移的外部传感器,该文设计了一种新型的四自由度压电微夹钳,并采用自感知方法获得其钳指位移。首先,基于两组空间垂直交叉的横向逆压电效应,设计了在夹持方向和垂直夹持方向上同时运动的四自由度压电微夹钳新结构;其次,基于压电晶片在电压作用下发生变形的同时在其表面产生电荷的思想,提出了电荷积分的自感知方法获取压电微夹钳的钳指位移;最后,通过实验测试了压电微夹钳的静动态特性及位移自感知特性。实验结果表明,基于自感知方法获得的位移与基于传感器获得的结果具有较好的一致性。

压电自感知微夹钳

研制了不需要外部附加微位移与微力传感器、采用自感知方法来获取压电微夹钳的钳指位移与夹持力的压电自感知微夹钳。根据压电陶瓷晶片在驱动电压与外力作用下发生变形会在其表面产生电荷的思想,提出了基于积分电荷的钳指位移与夹持力的自感知方法;基于Jan G.Smits的压电悬臂梁弯曲变形理论,给出了钳指位移与夹持力的自感知表达式,即用钳指上压电陶瓷晶片表面的电荷来表达钳指位移与夹持力。设计了获取晶片表面电荷的积分电路,给出了其平衡条件为晶片电容与其绝缘电阻之积同积分电容与反馈电阻之积相等。自感知验证实验结果表明:修正后在31.59μm最大钳指位移范围内的自感知位移最大偏差为0.78μm;在35.91mN最大钳指夹持力范围内的自感知夹持力的最大偏差为0.24mN。实验结果验证了所提自感知方法是有效的。

压电微夹钳的复合控制模型及实验

为提高压电微夹钳的夹持性能,设计复合控制系统对其控制.通过引入死区算子对PI模型进行改进,建立了微夹钳的迟滞模型,进而设计出其前馈控制器;对常规PID算法进行改进,设计出抛物线积分与微分先行的微夹钳PID反馈控制器;将前馈控制同PID反馈控制相结合,设计出微夹钳的复合控制器.在复合控制作用下,微夹钳达到5μm阶跃目标位移的响应时间为0.09 s,略快于前馈控制,明显快于PID反馈控制;在最大位移为15.2μm的参考输入作用下,若不考虑传感器噪声,复合控制的稳态误差几乎为0.实验结果表明,同前馈控制与PID反馈控制相比,复合控制具有良好的综合控制效果,即响应速度快、稳态精度高.

压电陶瓷微夹钳迟滞环自适应逆控制研究

针对压电陶瓷的迟滞特性可使微夹钳难以获得良好的位移控制的问题,提出自适应逆控制策略。推导了压电悬臂位移特性的理论模型;采用自适应最小均方算法滤波器建立了压电悬臂的基于Backlash算子的迟滞环正逆模型,并以此为基础建立了微夹钳位移的自适应逆控制系统。样机测试和跟踪实验结果验证了所建立的理论模型和迟滞环模型的正确性,以及控制系统良好的自学习能力和控制效果。

一种新型柔性双轴微夹钳的设计与分析

针对传统的微夹钳在复杂的微操作中只能沿单轴进行夹持操作的不足,文中设计了一种柔性铰链的双轴微夹钳,结构简单又紧凑,该微夹钳由一个压电陶瓷驱动器驱动,实现夹持和旋转两种操作。采用非对称结构设计,实现左边完成向前旋转动作,右边完成夹持动作。通过左右两边两级放大机构结构设计不同,实现位移放大和运动传递。为实现抓取和搓动功能的解耦,对两部分的运动导向机构进行了正交设计。采用伪刚体法建立了机构的伪刚体模型,建立了机构的运动学和动力学模型,包括运动机构放大比、输入刚度和机构的固有频率。通过有限元分析方法验证了微夹钳的性能模型的准确性。仿真试验结果表明,左侧机构的放大比为8.01,右侧放大比为8.56,最大输出位移可达171.36μm。所设计的微夹钳具有良好的抓取和搓动的性能,可实现高精度的抓取和释放操作。