Large Thrust Trans-scale Precision Positioning Stage Based on Inertial Stick-Slip Driving

For the smaller thrust,it is difficult to achieve 3Dtrans-scale precision positioning based on previous stick-slip driving.A large thrust trans-scale precision positioning stage is studied based on the inertial stick-slip driving.The process of the movement is divided into two steps,i.e.,the″sliding″phase and the″stickness″phase.In the whole process,the kinematics model of the inertial stick-slip driving is established,and it reveals some factors affecting the velocity of inertial stick-slip driving.Furthermore,a simulation of movement is preformed by Matlab-Simulink software,and the whole process of the inertial stick-slip driving is displayed.After one experimental prototype is designed,the back and forth velocity is tested.Finally,the simulation verifies the accuracy of the kinematics model.

钻柱纵-扭耦合非线性振动的顶驱控制研究

本文基于钻柱纵-扭耦合振动的三自由度集总参数模型,利用数值仿真研究了顶驱控制对钻柱粘滑振动和跳钻现象的抑制效果。结果表明,调谐k-c控制对钻柱振动系统的粘滑振动和跳钻现象有一定程度的抑制作用,但是在输入角速度较大而标称钻压较小或者输入角速度较小而标称钻压较大时的抑制效果并不理想。调谐I-k-c控制可以成功地消除输入角速度和标称钻压变化对钻柱粘滑振动和跳钻现象带来的影响,使得输入角速度和标称钻压不论取何值,钻头的转速均稳定在给定的输入角速度附近,减少了钻压、扭矩和轴向位移的波动。

压电粘滑旋转电机的设计

该文提出了一种结构简单紧凑的压电粘滑旋转电机。通过一个力偶式机构设计了定子,并在此基础上设计出双定子压电粘滑旋转电机,提升了电机结构的紧凑性。通过在典型锯齿波上改造而成的一种异步驱动方式,使电机能够实现“增粘减滑”。建立了电机机电-摩擦耦合动力学模型,制作出电机的样机并进行相应的实验。实验结果表明,电机输出位移曲线显示出良好的步进特性,当驱动电压幅值为150 V、频率为900 Hz时,电机输出的最大单步转角、转速分别为125μrad和6.3(°)/s,最大可承负载为30 g。

基于粘滑驱动跨尺度精密定位技术的研究现状

目前跨尺度纳米定位技术在纳米操作、大规模集成电路制造和生物技术等众多领域都有着广泛的应用前景。该文对目前应用较多的宏微混合式驱动、压电超声马达驱动、尺蠖式驱动和粘滑式驱动这4种跨尺度定位技术驱动原理进行了介绍,并对其分辨率、速度、推力、尺寸、驱动器数量和结构6个方面进行了比较和分析,得出粘滑驱动以其驱动范围大,分辨率高,结构简单,体积小和集成度高等突出优点,适用于微纳操作领域。对目前国内外粘滑驱动在驱动原理、关键技术和样机实验方面的研究进行了分析,总结出目前粘滑驱动研究中的研究基础和不足,并提出了有待解决的问题和关键技术。

黏滑振动理论及其在铁路机车中的应用

为研究机车处于黏着极限态时轮对的动态行为,提出平均滑动率和动态滑动率的概念并对黏滑振动稳定性及其振动特点进行分析。黏滑振动是介于黏着和滑动的动态过程,其稳定性取决于轮轨黏着,减小平均滑动率和动态滑动率有利于黏滑振动稳定。当轮对在黏着及滑动状态的往复交替时,轮对旋转与轮对纵向振动通过轮轨纵向切向力耦合,轮对的纵向振动频率为轮对旋转固有振动频率的整数倍。建立机车机电、控制一体化系统动力学模型,再现轨面黏着条件降低时轮对黏滑振动现象,对理论分析结果进行验证。研究结果表明:增大机车一系纵向刚度,电动机吊挂刚度有利于黏滑振动稳定性,提高机车黏着性能,需要合理匹配轮对纵向定位刚度和电动机吊挂刚度,避免机车黏滑振动时引起结构共振。

黏滑驱动式小型精密运动平台

为满足微纳操作系统对精密驱动技术的需求,本文提出了一种基于黏滑原理的小型精密运动平台。该平台将柔性铰链、惯性质量块以及弹性元件结合为独立的定子基座,并与压电叠堆、陶瓷球固连为定子,安装在平台基座底部,通过螺钉调节弹性元件端部垂直方向的位置,就可以改变定子与移动台间的预压力,进而获得最佳的驱动力。为研究黏滑驱动的运动机理,分析各参数对平台运动的影响,进行了力学建模;而摩擦力作为黏滑驱动的关键因素,为了能准确地表达黏滑驱动的摩擦机理,在力学建模中引入了LuGre摩擦模型,并利用Matlab/Simulink软件进行了仿真分析。设计加工的黏滑驱动平台的整体尺寸为40mm×40mm×18mm,质量为32g。试验表明:该平台最小可实现10nm的运动步长,速度最高可达2.5mm/s,行程为22mm。

铁道车辆轴箱弹簧断裂故障对动力学性能的影响

车辆运行过程中,当轴箱弹簧突发断裂故障,会造成动力学状态和性能突变,一系悬挂刚度突然减小,暂时失去承载能力,会威胁车辆行车安全。结合整车的动力学仿真,建立了轴箱弹簧断裂过程的力学模型,对整个断裂过程进行仿真,模拟了轴箱弹簧突然断裂工况下车辆动力学性能变化,分析了轴箱弹簧断裂条件下车辆直线行车安全性以及曲线通过安全性。计算分析结果表明:轴箱弹簧突然断裂导致一系悬挂刚度剧变,引起轮轨垂向力先减小后增大,轮重减载率、脱轨系数等参数增大直至超限,但对轮轨横向力影响不大。

大节距输送链爬行现象分析及设计原则

对大节距链传动爬行现象形成原因进行了详细分析,得出链传动多边形效应是引起大节距链传动不平稳的主要因素。列举了链传动多边形效应的补偿措施,给出了大节距链式输送机设计的几个设计原则。采用链轮-凸轮补偿机构和链条导向机构可以有效地消除爬行现象,保证足够的系统刚度、运行速度而减轻爬行现象。

基于状态重构器的顶驱控制方法

为了防止钻井过程中因黏滑振动造成钻井事故,提出一种基于状态重构器的顶驱扭矩控制方法。首先,将顶驱、钻杆和钻具组合等效为集中质量弹簧阻尼系统,采用Karnopp非线性摩擦模型分析黏滑振动摩擦,建立钻柱系统井下运动方程;其次,通过增加摩擦干扰器,采用最优阻尼进行参数整定,设计基于龙伯格状态重构器的PID控制算法;再次,采用MATLAB软件搭建钻柱系统运动模型和状态重构器仿真模型,进行井下黏滑振动模拟和控制算法仿真,验证模型的准确性和算法的有效性;最后,设计并建立井下黏滑振动实验装置,在黏滑振动工况下,估算钻头钻速,验证控制算法。研究结果表明:黏滑振动控制算法可在较短时间内有效控制井下转速,抑制黏滑振动。

机车黏着极限态驱动装置结构共振研究

机车处于轮轨黏着极限状态运行时,轮轨黏着饱和及负斜率特性使得驱动轮对出现复杂的动力学现象。为了研究机车驱动装置受到轮轨动态激励的响应,首先研究黏着极限状态轮轨的黏滑特点及其引起轮对的动力学问题,然后建立机车的多体动力学模型,仿真驱动装置各结构部件的振动及其振动主频率,得出避免机车驱动装置结构发生共振的参数匹配原则。结果表明:机车处于黏着极限状态运行时,轮轨间黏滑状态会产生驱动轮对的纵向振动和驱动装置的自激振动等典型动态特征;驱动装置自激振动会激发基于结构固有频率的振动,且各结构振动会相互影响。因此,需合理选取牵引电机吊挂关节的刚度,避免基于电机点头振动固有频率及各结构部件固有频率的振动。特别是,若牵引电机转子旋转、轮对扭转振动和轮对纵向振动的固有频率一致,将引起驱动装置结构产生共振。

高速动力车粘滑振动稳定性分析

建立了高速动力车粘滑振动稳定性计算模型。计算表明，高速动力车的粘滑振动稳定性较好。通过与电机空心轴架悬式驱动装置进行对比计算分析，进一步验证了高速动力车驱动装置的优越性。本文还分析了几种主要参数对粘滑振动稳定性的影响，以便进行参数优化。

架悬式驱动系统振动稳定性分析

对两种典型的牵引电动机架悬式驱动装置的机车动轮空转过程进行计算机模拟计算的结果表明,轮对空心轴驱动装置的弹性联轴器采用螺旋弹簧时,车轴扭矩的振幅达到稳态值的几倍,甚至超过材料的许用应力,而相同条件下,采用橡胶元件时,驱动系统摩擦振动稳定,驱动元件承受的动应力始终保持在许用应力的范围内。空心轴两端弹性联轴器扭转刚度与轴箱拉杆纵向刚度的匹配必须避免驱动系统发生共振。采用电机空心轴驱动装置的机车,在驱动装置的结构参数合理匹配的同时,要求牵引电动机转矩一转速特性更陡及机车具有反应灵敏、作用可靠的防空转保护装置。

压电粘滑驱动器研究现状与进展分析

基于粘滑驱动原理的压电驱动器因具有精度高、行程大和无电磁干扰等特点,在精密/超精密加工、精密科学仪器等方面得到了广泛应用。首先介绍了压电粘滑驱动器的工作原理,然后从驱动器的新构型设计、激励波形优化设计、理论建模分析和控制方法研究等四个方面对压电粘滑驱动器的研究现状进行了论述。特别是针对当前压电粘滑驱动器普遍存在的位移回退这一共性问题,分析了位移回退现象产生的机理,着重介绍了近年来关于位移回退抑制相关研究工作的最新进展。

大气环境非接触调频AFM检测与控制平台设计及测试

为进一步提高大气环境调频非接触模式原子力显微镜(frequency modulated non-contact atomic force microscope)样品表面形貌表征能力。本文基于大气环境光路调节系统设计了高精度驱动位移调节装置,采用多块堆叠的切向压电陶瓷实现了stick-slip高精度驱动方式,调节精度达到了2.6nm/V,其精度高于常规步进电机,使得悬臂反射率达到26%。基于该高精度位移调节装置设计,系统实现了谐振频率检测与反馈,其中共振频率f0=158.73kHz,半高宽ω=373.2Hz,品质因数Q=564,系统最小检测灵敏度达到80mHz,系统电压噪声密度约为2.32μV/Hz,系统整体噪声为253.3fm/Hz。为表征样品形貌奠定了基础。

跨尺度精密运动压电平台和快速驱动方法研究

该文提出了一种基于惯性粘滑驱动原理、可快速运动的跨尺度精密运动压电平台。该平台由滑动部分、摩擦调整部分、堆叠压电陶瓷、惯性部分和底座组成,总尺寸为60 mm×60 mm×58 mm。该文详细介绍了基于此结构的新型惯性粘滑驱动原理。为了研究所设计压电平台的驱动性能,制作了样机并建立了实验系统。实验中,驱动频率7 kHz时最大的单步步距为2.67μm,最大速度为22.7 mm/s,最大静态保持力为36 N。实验结果表明,该文设计的平台可快速运动,具有良好的运动性能。

基于压电陶瓷的摩擦可调粘滑定位平台

为了提高粘滑式纳米定位台对不同负载,尤其是大质量负载的适用性,设计了驱动模块化的粘滑定位平台。将质量块、柔性铰链及铰链架一体制造,将压电陶瓷致动器、预紧垫块及预紧螺钉安装在铰链架上,共同组成一个独立的驱动模块,安装在底座的槽内,在调节螺钉的作用下可调整垂直方向的位置,改变与载物台接触面间的摩擦力。对粘滑驱动平台建立动力学模型并进行仿真分析,研究摩擦力对平台性能的影响。实验结果表明,负载200g时,平台的最小步长为8.84nm,最大速度为3.727mm/s,行程约20mm;2kg负载下,未调节摩擦时最大速度为2.373mm/s,调节摩擦力后最大速度为3.063mm/s。实验证明,该设计能同时满足小尺寸、高精度、高速度、大行程及适应大负载的要求。

基于粘滑驱动的精密旋转压电执行器研究

研究了一种基于粘滑驱动原理的旋转式精密压电执行器。运用一种十字交叉型柔性铰链将2个压电陶瓷的直线位移转化为旋转角位移,然后通过与转子之间可调的摩擦接触实现执行器的粘滑运动。在锯齿波电压信号的驱动下,该压电执行器能够输出大行程、高分辨率的角位移。详细介绍了该压电执行器的结构组成与工作原理,并对执行器的运动进行了分析。建立了试验系统对加工的执行器样机的工作性能进行了测试。

粘滑驱动式小型运动平台的动力学分析

为解决微纳操作中驱动技术方面的问题,该文研制了一种粘滑驱动式小型运动平台;基于已构建的平台结构,继而建立了粘滑驱动系统动力学模型。该动力学模型在引入LuGre摩擦模型的基础上,分别对压电叠堆的电学模型、驱传动系统机械动力学模型进行建模,最终得到统一的粘滑驱动系统模型,并利用Matlab/Simulink对模型进行仿真及分析。分析结果表明,平台位移随着预压力增大而减小,而随着移动台质量的增大而增大。最终经过实验结果与仿真数据对比可知两者基本一致,验证了该模型的准确性。

碰撞过程中存在的颤振粘滑驱动

在碰撞系统中会出现颤振而引发的粘滑现象,通过设计具有一定弹刚性的结构件,建立单自由度碰撞模型,并引入Duffing单边碰撞系统的颤振分析,通过提取系统的结构参数,利用Simulink进行动力学仿真。通过力传感器、米依激光测位移传感器对结构件进行碰撞实验。测试碰撞的全过程,得到刚性件在碰撞过程中可以转化为稳定的输出位移,实验中滑块在1Hz冲击力频率下可以得到0.03mm/s的稳定位移输出,可以将碰撞视为一种可以有效利用的驱动方式。

某前驱车轮端起步粘滑异响分析与控制

某前驱车型在起步过程中驱动轮端出现“咔哒”异响,问题发生频次较高,严重影响整车品质。对异响现象进行分析最终确定是轮毂轴承与驱动半轴接触端面粘滑振动引起,在粘滑过程中接触端面由静摩擦向滑动摩擦转变时接触面间摩擦系数突变产生轴向冲击力诱发异响。通过建立合理的物理模型,分析粘滑运动过程中相关的正压力、滑动摩擦系数、静摩擦系数等参数的影响,利用一种特制减摩垫圈,进而改变传动零部件接触端面的动态摩擦特性,有效解决了该车型驱动轮端起步异响的问题。目前,国内外针对车辆传动系统中粘滑摩擦的研究较少。该研究对新车型传动设计过程中类似的粘滑异响处理有积极的借鉴和参考意义。