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二自由度并联压电粘滑定位平台

机械工程学报 2024年

作者：许锰杨依领吴高华崔玉国魏燕定浙江大学浙江省先进制造技术重点实验室宁波大学浙江省零件轧制成形技术研究重点实验室

针对粘滑运动的周期性循环应力易导致柔顺机构疲劳问题，设计低应力、高分辨率和无耦合的二自由度宏行程定位平台。采用双圆弧仿生柔性铰链设计柔顺驱动单元，减小应力并提高结构刚度。然后，结合压电粘滑驱动与正交导向机构，实现平台... 详细信息

针对粘滑运动的周期性循环应力易导致柔顺机构疲劳问题，设计低应力、高分辨率和无耦合的二自由度宏行程定位平台。采用双圆弧仿生柔性铰链设计柔顺驱动单元，减小应力并提高结构刚度。然后，结合压电粘滑驱动与正交导向机构，实现平台的高分辨率、大行程二维并联解耦运动。之后，采用有限元法和伪刚体模型对定位平台进行静力学与动力学分析，并通过Ansys Workbench软件对平台应力、频率和单步位移等进行仿真。最后，搭建实验平台并进行性能测试。实验结果表明：平台最大速度为9.03 mm/s,x和y向位移耦合率为0.89%和0.92%，分辨率为10 nm和11 nm，最大水平与垂直承载能力分别为1.4 N和40 N。实验结果验证了结构设计及理论模型的有效性。

关键词：压电驱动粘滑运动低应力柔顺机构二自由度

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柔顺宏微操作系统动力学建模及振动抑制研究

振动与冲击 2024年第9期43卷 69-76,120页

作者：翁寅祥杨依领吴高华崔玉国魏燕定宁波大学浙江省零件轧制成形技术研究重点实验室浙江宁波315211 浙江大学浙江省先进制造技术重点实验室杭州310027

针对高速大范围宏运动时柔顺微操作器的微纳振动问题,建立系统动力学模型并设计改进离散滑模控制策略对微观弹性振动进行抑制。首先以气浮宏动平台和压电纤维微操作器构成的宏微操作系统为对象,结合假设模态法、拉格朗日方程和非对称迟... 详细信息

针对高速大范围宏运动时柔顺微操作器的微纳振动问题,建立系统动力学模型并设计改进离散滑模控制策略对微观弹性振动进行抑制。首先以气浮宏动平台和压电纤维微操作器构成的宏微操作系统为对象,结合假设模态法、拉格朗日方程和非对称迟滞模型,建立系统综合机电动力学模型。然后,在所建模型基础上设计变速趋近律调节切换增益,从而实现非线性离散滑模控制。最终搭建宏微操作系统测控平台,并进行轨迹跟踪和振动抑制试验。在轨迹跟踪时,对于不同频率的正弦参考轨迹,所设计的控制策略均能精确跟踪给定信号且误差较小;在振动抑制时,当宏动平台沿梯形与S轨迹运动时,微操作器残余振动稳定时间比改进前分别减少26.1%和50.0%,比无控制时分别缩短53.6%和53.3%。验证了动力学模型与离散滑模控制的有效性,提高了系统控制精度与效率。

关键词：宏微操作系统动力学建模振动抑制压电驱动滑模控制

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二自由度大行程无耦合压电粘滑定位平台

光学精密工程 2024年第1期32卷 62-72页

作者：吴彤杨依领吴高华崔玉国魏燕定宁波大学机械工程与力学学院浙江省零件轧制成形技术研究重点实验室浙江宁波315211 浙江大学机械工程学院浙江省先进制造技术重点实验室浙江杭州310027

针对微操作与微装配任务对多维大范围精密定位运动的需求,采用粘滑驱动原理并结合压电柔顺机构设计二自由度、大行程、无耦合并联定位平台。利用桥式机构对内置压电驱动器进行位移放大,并与复合解耦结构配合构成二维柔顺驱动机构。交叉... 详细信息

针对微操作与微装配任务对多维大范围精密定位运动的需求,采用粘滑驱动原理并结合压电柔顺机构设计二自由度、大行程、无耦合并联定位平台。利用桥式机构对内置压电驱动器进行位移放大,并与复合解耦结构配合构成二维柔顺驱动机构。交叉滚柱导轨则连接移动台与驱动机构,并通过预紧螺钉调整接触摩擦力,进而获得良好的粘滑运动特性。采用有限元法建立定位平台的静力学模型,并对位移放大倍数、应力和固有频率进行仿真分析。最后,搭建实验测试系统验证定位平台的输出性能。实验结果表明:在扫描驱动模式下,驱动电压为150 V时,平台x和y向的输出位移分别为63.84μm和62.61μm,耦合比为0.52%和0.59%,分辨率为6.5 nm和7.2 nm;在步进驱动模式下,驱动电压为120 V时,平台在x和y向的单步位移分别为47.31μm和47.20μm,耦合比为0.69%和0.73%,x正向、x反向、y正向和y反向的运动分辨率分别为0.49,0.47,0.47和0.42μm,最大垂直负载为50 N,设计的压电粘滑定位平台满足所需性能要求。

关键词：压电驱动桥式机构粘滑运动定位平台

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压电柔顺微操作器的H_(∞)反馈控制

振动．测试与诊断 2023年第1期43卷 144-151,203页

作者：李存尧杨依领吴高华魏燕定宁波大学机械工程与力学学院宁波315211 浙江大学浙江省先进制造技术重点实验室杭州310027

为保证压电柔顺微操作器的精准性和稳定性,以压电纤维驱动的单自由度柔性微操作器为例,首先,通过在传统Prandtl-Ishlinskii(简称PI)迟滞模型上串联死区算子,建立改进PI迟滞模型并设计相应前馈控制器;其次,将系统模型分解为线性可逆分量... 详细信息

为保证压电柔顺微操作器的精准性和稳定性,以压电纤维驱动的单自由度柔性微操作器为例,首先,通过在传统Prandtl-Ishlinskii(简称PI)迟滞模型上串联死区算子,建立改进PI迟滞模型并设计相应前馈控制器;其次,将系统模型分解为线性可逆分量和有界分量,并构建权重函数和增广模型设计H_(∞)反馈控制器,以保证系统的稳定性和精准性;最后,以压电纤维驱动的单自由度柔性微操作器为例,搭建实验测控系统。实验结果表明:在前馈控制下,压电柔顺微操作器的迟滞量从16.5%下降到4.4%,改进PI迟滞模型是可行的。当参考轨迹为阶跃和不同频率的正弦信号、甚至改变微操作器结构参数时,H_(∞)反馈控制均能有效跟踪给定参考信号且相对控制误差较小,验证了所设计H_(∞)反馈控制器的有效性。

关键词：柔顺微操作器 H_(∞)反馈控制压电纤维驱动器迟滞模型

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压电柔顺x-y微夹持器的设计与分析

振动与冲击 2022年第10期41卷 154-161页

作者：宋帅官杨依领吴高华张申廷魏燕定宁波大学机械工程与力学学院浙江宁波315211 浙江大学机械工程学院浙江省先进制造技术重点实验室杭州310027

针对微操作和微装配领域对微夹持器高位移放大比、多自由度和平动夹持的性能需求,采用双叶型桥式机构和平行四边形机构,设计了一种压电柔顺x-y微夹持器。利用有限元法建立了微夹持器的静力学与动力学模型,并通过ANSYS Workbench软件分... 详细信息

针对微操作和微装配领域对微夹持器高位移放大比、多自由度和平动夹持的性能需求,采用双叶型桥式机构和平行四边形机构,设计了一种压电柔顺x-y微夹持器。利用有限元法建立了微夹持器的静力学与动力学模型,并通过ANSYS Workbench软件分析微夹持器的位移放大比、固有频率和输出耦合比。最后,搭建试验测试系统验证微夹持器的开环性能。试验结果表明:微夹持器x,y向的位移放大比分别为30.8和8.6,一阶固有频率为123.3 Hz;当施加10μm输入位移时,微夹持器x,y向的工作行程分别为0~616.6μm和0~51.0μm,夹持力范围为0~25.8 mN;微夹持器x,y向位移放大比与一阶固有频率的实验测试和仿真数值之间的相对误差分别为17.9%,19.8%,13.9%。试验结果验证了该理论模型和仿真分析的可行性。

关键词：微夹持器柔顺机构压电驱动多自由度

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压电执行器输出位移的精密自感知

仪器仪表学报 2023年第7期44卷 28-36页

作者：熊志文崔玉国蔡永根马剑强杨依领宁波大学机械工程与力学学院宁波315211

为省掉外部精密位移传感器,进而减小微装配与微操作系统的体积,降低系统成本,采用自感知方法来获取压电执行器的输出位移。首先,基于压电执行器在电压作用下发生变形的同时,还会发生电极化而在其晶片表面产生电荷这一思想,提出了一种非... 详细信息

为省掉外部精密位移传感器,进而减小微装配与微操作系统的体积,降低系统成本,采用自感知方法来获取压电执行器的输出位移。首先,基于压电执行器在电压作用下发生变形的同时,还会发生电极化而在其晶片表面产生电荷这一思想,提出了一种非平衡电流积分式压电执行器的位移自感知方法。其次,考虑到压电执行器的漏电流与介电吸收电流,以及运算放大器的偏置电流对自感知精度的影响,给出了能够精确反映压电执行器输出位移的自感知表达式及自感知参数辨识方法。最后,在辨识压电执行器自感知参数的基础上,实验验证了所提精密位移自感知方法的有效性,结果表明,自感知位移具有亚微米级分辨率,为0.24μm;在静态位移自感知方面,在0~118.9μm的位移范围内,自感知位移的最大相对误差为1.17%;在动态位移自感知方面,在0~100 Hz的频率范围内,自感知位移的最大相对误差为1.45%。可知所提出的精密位移自感知方法既能实现静态长时间又能实现动态快速的高精度、高分辨率的位移自感知。

关键词：压电执行器位移自感知电流积分电荷补偿

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压电纤维致动器的率相关偏置迟滞建模及补偿

振动．测试与诊断 2023年第3期43卷 531-538,622页

作者：杨浩娄军强杨依领陈特欢陈海荣魏燕定宁波大学机械工程与力学学院宁波315211 浙江大学浙江省先进制造技术重点研究实验室杭州310027

为了克服传统压电陶瓷韧性不足,利用压电宏纤维(macro fiber composite,简称MFC)换能效率高且变形能力强的优点,提出了一种MFC致动的柔性结构,建立了描述MFC动态偏置迟滞非线性的率相关双极性偏置PI(rate-dependent bipolar bias PI,简... 详细信息

为了克服传统压电陶瓷韧性不足,利用压电宏纤维(macro fiber composite,简称MFC)换能效率高且变形能力强的优点,提出了一种MFC致动的柔性结构,建立了描述MFC动态偏置迟滞非线性的率相关双极性偏置PI(rate-dependent bipolar bias PI,简称RDBBPI)迟滞模型,并进行了前馈补偿控制研究。首先,针对MFC致动柔性结构的静态偏置迟滞特性,利用Prandtl-Ishlinskii(PI)模型描述系统的对称迟滞特性,并通过叠加死区算子来捕捉其双极性偏置特性,建立了MFC致动器的静态双极性偏置PI(bipolar bias PI,简称BBPI)模型;其次,确立迟滞环斜率与驱动信号速率之间的线性关系,得到描述MFC致动器动态迟滞特性的RDBBPI模型;最后,进行了实验验证。实验结果表明:所提出的RDBBPI模型能够很好地捕捉不同频率下MFC致动柔性结构的动态迟滞特性;在基于RDBBPI模型的前馈补偿下,MFC致动柔性梁构件的实测振动位移与期望跟踪位移基本重合,补偿后结构实测位移与期望轨迹之间的线性度误差为4.62%,证实了所提RDBBPI模型对MFC致动器驱动控制和位移跟踪精度的改善效果。

关键词：压电宏纤维致动器动态迟滞非线性率相关双极性偏置前馈补偿

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新工科背景下机电控制理论课程教学改革研究

高教学刊 2023年第36期9卷 49-52页

作者：杨依领宁波大学机械工程与力学学院浙江宁波315211

新工科背景下需要对传统机电控制理论课程教育进行改革,将实践能力和创新意识贯彻到理论教学中,同时强调理论学习与工程实际的有机结合,然而,目前机电控制理论课程晦涩且抽象难懂,往往与现实脱节,导致学生无法理解理论知识,更无法将其... 详细信息

新工科背景下需要对传统机电控制理论课程教育进行改革,将实践能力和创新意识贯彻到理论教学中,同时强调理论学习与工程实际的有机结合,然而,目前机电控制理论课程晦涩且抽象难懂,往往与现实脱节,导致学生无法理解理论知识,更无法将其应用于实际工程实践中。该文首先从机械专业培养计划出发,进行机电控制理论课程目标的制定,然后相应地进行理论教学优化、实践环节合理改进以及完善和加强机电控制理论考核方式。该教学改革提高学生的工程实践能力,加强学生的创新意识,也为以后教学改革完善提供参考。

关键词：新工科控制工程工程实践创新意识教学改革

局部粘贴压电宏纤维致动器的水下弹性结构机-电-液耦合振动特性

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振动工程学报 2022年第2期35卷 387-396页

作者：顾霆娄军强杨依领陈特欢陈海荣魏燕定宁波大学机械工程与力学学院浙江宁波315211 浙江大学浙江省先进制造技术重点研究实验室浙江杭州310027

建立了局部粘贴压电宏纤维致动器(Macro Fiber Composite,MFC)的水下弹性结构机⁃电⁃液耦合振动模型,并开展了MFC激励下的水下弹性结构的频率响应实验。采用混合规则法得到了MFC等效体积单元的等效机电耦合参数。基于假设模态法推导了局... 详细信息

建立了局部粘贴压电宏纤维致动器(Macro Fiber Composite,MFC)的水下弹性结构机⁃电⁃液耦合振动模型,并开展了MFC激励下的水下弹性结构的频率响应实验。采用混合规则法得到了MFC等效体积单元的等效机电耦合参数。基于假设模态法推导了局部粘贴MFC的欧拉⁃伯努利梁的分段归一化振型函数。结果显示粘贴MFC致动器的主动变形段末端的变形量仅为被动变形段末端的3%,局部粘贴MFC致动器弹性结构的模态振型较匀质等截面梁结构发生了明显变化。建立了包含MFC致动器等效驱动力矩、周围流体水动力载荷及弹性结构振动特性的水下弹性结构机⁃电⁃液耦合振动模型。基于搭建的实验平台,测试得到了MFC不同激励频率下水下弹性结构的频率响应特性,实验结果表明:耦合动力学模型的理论预测结果与结构实际振动的幅频特性和相频特性基本一致,证明了所建立机⁃电⁃液耦合振动模型的有效性。

关键词：水下弹性结构机⁃电⁃液耦合水动力压电宏纤维局部粘贴