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离合器箝位型尺蠖驱动器研究及发展

微电机 2009年第7期42卷 61-64页

作者：张兆成胡泓哈尔滨工业大学哈尔滨150001

按箝位方式对尺蠖驱动器进行分类。介绍了尺蠖驱动器箝位机构从主动箝位到楔箝位再到楔辊子箝位以及螺旋楔箝位的发展过程;指出传统主动箝位的不足及楔箝位和楔辊子箝位各自的优缺点;介绍了螺旋楔箝位的特点及需要完善发展的方向,指出... 详细信息

按箝位方式对尺蠖驱动器进行分类。介绍了尺蠖驱动器箝位机构从主动箝位到楔箝位再到楔辊子箝位以及螺旋楔箝位的发展过程;指出传统主动箝位的不足及楔箝位和楔辊子箝位各自的优缺点;介绍了螺旋楔箝位的特点及需要完善发展的方向,指出离合器箝位型尺蠖驱动器是高性能精密直线驱动器的一个重要发展方向。

关键词：尺蠖驱动器离合器被动箝位螺旋楔箝位直线电机

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MEMS微齿型尺蠖驱动器的研究进展

微特电机 2008年第10期36卷 55-57,60页

作者：张兆成胡泓哈尔滨工业大学黑龙江哈尔滨150001

全面介绍了MEMS微齿型尺蠖驱动器在国外的最新研究进展及应用,该驱动器具有大输出力和高频大功率密度的特点,是高性能精密直线驱动器的一个重要发展方向。

关键词：尺蠖驱动器 MEMS微齿镍钛合金层

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基于椭圆放大的尺蠖驱动器设计及仿真研究

基于椭圆放大的尺蠖驱动器设计及仿真研究

作者：李昊航哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

由爬行动物尺蠖运动原理不断发展更新的尺蠖驱动器具有原理简单、无电磁干扰、可实现双向大行程、高精度直线运动等优点,但是运动速度低、结构臃肿、对加工装配精度要求高等问题一直没有被解决。本文针对以上尺蠖驱动器的问题,设计了一... 详细信息

由爬行动物尺蠖运动原理不断发展更新的尺蠖驱动器具有原理简单、无电磁干扰、可实现双向大行程、高精度直线运动等优点,但是运动速度低、结构臃肿、对加工装配精度要求高等问题一直没有被解决。本文针对以上尺蠖驱动器的问题,设计了一种新型基于椭圆位移放大的尺蠖驱动器。本文主要包括以下内容:设计了尺蠖驱动器的结构,确定了各部件的尺寸参数。驱动器整体由壳体、内部柔性结构、导轨组成。两支柔性结构关于导轨对称,单支柔性结构由箝位-驱动-箝位三部分一体组成。驱动机构采用由8个单切口柔性铰链结构组成的椭圆柔性放大结构,可以实现5倍驱动位移放大;箝位机构在保证箝位摩擦力的同时增加箝位压块的有效位移,从而降低了对加工精度和装配精度的要求,客观上减小了驱动器的误差;壳体采用两支对称设计,有预紧螺钉,实现了驱动器的易装可调。分析了单切口柔性铰链壁厚度与内圆半径之比t/r对铰链性能的影响,并确定了与本文位移放大倍数匹配的t/r。有限元仿真验证了驱动机构位移放大的可行性,并且得出一系列呈良好线性关系的仿真结果。对箝位位移传递体(Ct)的箝位压块施加压力模拟导轨预加的过盈量,经过仿真分析得出此位移小于箝位压块作业时的运动位移,得到了箝位机构可以按预设对导轨进行箝位-分离作业的结论,并且导轨与箝位压块最大预紧力可以超过50N。设计了驱动器的控制系统,对驱动电源选型,设计了测试驱动器箝位误差、箝位摩擦力、步进分辨率、运动速度的实验方案。

关键词：尺蠖驱动器位移放大驱动机构箝位机构柔性铰链

一类面向快速纳米定位的压电式尺蠖驱动器设计、分析和实验探究

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一类面向快速纳米定位的压电式尺蠖驱动器设计、分析和实验探究

作者：孙田田山东大学

学位级别：硕士

具有纳米级精度、毫米级行程的定位装置是芯片制造、精密装配、航空航天、生物医学等高新科技领域的共性核心部件。压电式尺蠖驱动器就是这样一种高精度、大行程、大承载力的定位装置,正吸引着越来越多的研究。典型的压电尺蠖驱动器采... 详细信息

具有纳米级精度、毫米级行程的定位装置是芯片制造、精密装配、航空航天、生物医学等高新科技领域的共性核心部件。压电式尺蠖驱动器就是这样一种高精度、大行程、大承载力的定位装置,正吸引着越来越多的研究。典型的压电尺蠖驱动器采用至少两个箝位压电陶瓷和一个驱动压电陶瓷实现双向驱动,过多的压电陶瓷导致驱动器结构复杂,电子系统复杂,成本高。减少压电陶瓷的使用可以有效地减轻这些问题;然而现有采用较少压电陶瓷(1或2)的尺蠖驱动器只能单向或双向低速驱动,这些设计的最大速度均小于1 mm/s,比典型尺蠖驱动器速度低一个数量级,严重制约着其应用。基于如上问题,本文提出了一种采用两个压电陶瓷实现双向快速、纳米精度定位的新型尺蠖传动器。本论文以减小一个箝位压电陶瓷的使用为切入点,基于1个箝位压电陶瓷+1个驱动压电陶瓷实现高速双向驱动的思路展开结构设计。通过创新地使用柔性支承挡板配合特殊设计的移动体,只需用1个压电陶瓷即可实现箝位交替,2个压电陶瓷实现双向驱动。该设计将典型箝位-驱动-箝位型尺蠖驱动器每一步运动所需的六个子步骤(三个压电陶瓷交替伸长缩短)减少到四个,从而减小单步时间,有效提高了驱动的最大速度。本文主要研究内容如下:首先对驱动器的整体结构进行了介绍,并结合驱动电压和驱动原理示意图对驱动原理进行了阐述。为了实现单压电陶瓷箝位交替机制,对挡板及移动体进行了相应设计。这包括综合考虑设计和装配需求,柔性支承的挡板结构设计;以及为了实现稳定的箝位交替,兼顾输出力和输出位移的常开端箝位机构设计。为实现快速双向运动及减小对箝位交替的影响,对驱动端放大机构的要求进行了分析,设计空间紧凑且具有大放大比的桥式机构用于驱动机构。然后对该尺蠖驱动器的箝位机构、柔性支承挡板等进行理论分析,以对两侧箝位足高度差等关键参数的确定提供理论指导。重点分析了在柔性支承挡板作用下的常开端箝位机构的输出力与位移能力,因其是该驱动器设计实现的关键。对驱动机构输入电压和输出位移之间的关系进行了理论分析,较为准确的对驱动器的步长进行了预测。结合该尺蠖驱动器驱动过程的箝位力变化规律,分析了驱动器的最大输出力。进一步的,对如何实现尺蠖式快速、高精度的驱动展开了研究。基于MATLAB软件的Simulink模块设计了相应驱动方案,并对本文提出的尺蠖驱动器在亚步模式定位时的关键问题进行了理论分析以实现高精度定位。接下来提出了一种基于实时箝位信息进行驱动的策略以进一步缩减单步时间。结合本设计结构的特殊性,对如何通过驱动器的输出位移信息获取实时箝位状态信息做了分析说明。最后,搭建了尺蠖驱动器实验系统并进行实验验证。测试结果表明,所提出的设计能实现稳定快速的双向定位,最大速度为5.1 mm/s,比现有的采用两个压电陶瓷实现尺蠖驱动的设计高一个数量级。亚步模式定位时,该设计能实现纳米级的定位精度。本论文丰富了尺蠖驱动器的设计和驱动方法,显著提升了双压电尺蠖驱动器的速度,具有较大的应用前景。

关键词：尺蠖驱动器快速定位压电柔性支承挡板

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仿生压电式尺蠖驱动器的设计分析与实验探究

仿生压电式尺蠖驱动器的设计分析与实验探究

作者：汪越山东大学

学位级别：硕士

超精密加工与测量、精密光学工程、生物工程与现代医学、微机械加工与装配、航空航天等高尖端领域的迅速发展对微纳定位系统的性能提出了定位精度高、频响快、能耗低、重量轻、体积小等特性要求。然而传统的机械驱动器已日渐无法满足精... 详细信息

超精密加工与测量、精密光学工程、生物工程与现代医学、微机械加工与装配、航空航天等高尖端领域的迅速发展对微纳定位系统的性能提出了定位精度高、频响快、能耗低、重量轻、体积小等特性要求。然而传统的机械驱动器已日渐无法满足精密驱动定位的需要,具有纳米级定位精度、毫米级运动行程的跨尺度纳米驱动器逐渐发展成为纳米尺度操作不可或缺的关键装置。其中基于生物仿生技术的压电式尺蠖驱动器兼顾了大行程与高分辨率的特点,可以满足许多微纳工程领域对高精度、大输出力、大行程的要求。然而现有压电式尺蠖驱动器普遍存在结构设计与时序电路复杂等问题,这对驱动器结构的简化以及驱动速度的提升提出了一系列挑战。此外,针对尺蠖驱动器的理论研究还仅停留在柔性机构的设计与优化上,对其主要输出性能如承载能力与步长的建模仍有待完善。针对上述问题与挑战,本文基于传统柔性机构设计了互补型尺蠖驱动器,并对其进行了结构设计与仿真,理论建模与分析,性能测试与探究。主要研究内容如下:为简化驱动器的结构与时序电路,设计了双通道信号驱动的互补型尺蠖驱动器,降低了驱动器的装配难度。通过将柔性机构的输出位移与寄生位移分别用于驱动器的驱动与箝位,有效实现了新型尺蠖驱动器的双压电驱动,为新型压电尺蠖驱动器的设计提供了新思路。考虑到柔性机构机械特性对驱动器步长、承载能力的影响,利用ANSYS仿真软件对柔性机构的刚度以及机械强度进行了有限元仿真分析,从而验证了结构设计的可靠性。为满足大行程,高分辨率的应用需求,基于柔度矩阵法建立了柔性放大机构的伪刚体模型,并利用有限元的方法对其进行仿真分析验证。在此基础上,进一步建立了箝位预紧位移与柔性机构放大比的数学模型;考虑到预紧机构对驱动器承载能力的影响,分析了预紧位移与箝位力之间的关系,实现了驱动器承载能力的提升;另建立了驱动器步长、运动方向与子步长之间的数学模型,实现了对驱动步长的精确预测。进一步考虑到大箝位力,变速驱动在高承载力、快速定位系统中的应用,针对互补型尺蠖驱动器的特性,提出了基于时序信号的变步长、变承载力控制策略。建立了驱动器步长与时序信号的数学模型,实现了可控双向变步长运动。同时,建立了箝位力与时序信号的数学模型,避免了因变时序造成的承载力损失,为驱动器性能的优化提供了新途径。最后,在已有的驱动原理、仿真及理论设计分析基础上,加工了仿生压电式尺蠖驱动器的实验样机,搭建了整套实验测试系统,对其输出性能进行系统性的实验与探究。包括其基本输出特性的性能测试,以及基于时序信号的变步长、变承载力性能测试。实验结果表明所设计的尺蠖驱动器在具有良好的运动分辨率、承载能力和运动稳定性的同时兼具变步长与变承载力特性,对具有变速、大承载力特性的双压电尺蠖驱动器的设计具有指导意义。

关键词：生物仿生压电驱动尺蠖驱动器步长分析变步长控制

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压电尺蠖式微驱动器的设计、控制与实验

压电尺蠖式微驱动器的设计、控制与实验

作者：杨展宏江西理工大学

学位级别：硕士

随着精密加工与测量、光学工程、生物工程、现代医学、航空航天等高尖端领域的迅速发展,传统的微位移驱动器受工作原理和机械结构的限制,造成其传动效率低、输出位移有限,精度不高、结构复杂且不易控制,无法满足精密定位与驱动的要求。... 详细信息

随着精密加工与测量、光学工程、生物工程、现代医学、航空航天等高尖端领域的迅速发展,传统的微位移驱动器受工作原理和机械结构的限制,造成其传动效率低、输出位移有限,精度不高、结构复杂且不易控制,无法满足精密定位与驱动的要求。压电尺蠖微驱动器是基于尺蠖运动原理实现双向、大行程、高精度运动的精密微驱动器,广泛应用于上述领域。针对压电尺蠖微驱动器存在的主要问题,本文基于柔顺机构设计了两种微驱动器,并对其进行了性能优化及相关性能测试实验,主要内容如下:针对尺蠖式直线微驱动器运动速度低和输出力小等问题,基于柔顺机构设计了一种新型尺蠖式直线微驱动器。微驱动器由2个箝位机构、驱动机构、输出轴组成,其运动特点是驱动机构驱动箝位机构进行往复直线运动,箝位机构带动输出轴作直线运动。绘制了微驱动器的工作原理图,并阐述了其运动原理。箝位机构和驱动机构均采用柔性杠杆结构,保证了微驱动器所需的箝位力与驱动力,并提高了其运动速度。对微驱动器进行了详细的理论推导,采用伪刚体方法建立了驱动电压与箝位力、驱动机构输入位移与输出位移之间的关系,根据功能原理建立了输入力与驱动力之间的关系。根据所设计的微驱动器制作了样机,搭建了实验测试系统进行性能测试,测试结果表明,微驱动器最大箝位力为216.43 N,最大驱动力为13.5 N,在驱动电压120 V,驱动频率95 Hz时,达到最大速度为48.91 mm/s。为了建立微驱动器的步距预测模型,实现微驱动器的精确控制,需要定量分析微驱动器的步距、驱动电压、驱动频率之间的关系。定量分析尺蠖式驱动器步距、驱动电压、驱动频率之间的关系就是确定三者之间的非线性映射关系,建立预测模型。采用非线性支持向量机回归理论建立了微驱动器步距、驱动频率、驱动电压之间的关系模型。首先,采用实验分析和理论推导对微驱动器的驱动信号的关键参数进行了优化,并对矩形波驱动信号的波形进行了修正;其次,采用非线性支持向量机回归理论,选择高斯径向基核函数建立了微驱动器步距预测理论模型;最后,搭建实验测试系统,对微驱动器步距回归模型进行验证。实验结果表明,所建立的微驱动器步距回归预测模型能精确的预测步距,实验值与预测值之间的相对误差范围为0.275%-3.929%,误差较小。尺蠖式微驱动器虽然可以实现大行程与高精度兼具的运动,但在实际使用中会出现以最小步距为尺度的波动问题影响其运动精度。为了进一步提高微驱动器的运动精度,在PID控制的基础上,提出一种分段控制系统。所提出的分段控制系统由宏运动环节与微运动环节组成。在宏运动环节中,微驱动器按照尺蠖爬行的工作方式运动;在微运动环节中,微驱动器采用PID闭环控制逐渐接近目标位置。建立了微驱动器的输出模型,采用实验方法对控制系统的参数进行辨识。利用宏微分段控制系统对尺蠖式微驱动器进行大行程、高精度的定位实验,实验结果表明,在驱动电压40 V,频率1 Hz下,微驱动器的定位误差在0.53-0.67μm之间,说明所提出的分段控制方法能有效的提高尺蠖式微驱动器的运动精度。尺蠖式直线微驱动器只能实现连续的直线运动,但在工业中经常需要大行程的旋转运动,因此基于柔顺机构设计了一种新型尺蠖式旋转微驱动器。微驱动器由2个箝位机构、2个驱动机构、输出轴及支架组成,箝位机构和驱动机构均采用柔性杠杆结构,具有无摩擦,免润滑的优点,且保证了微驱动器所需的箝位力与驱动力矩,并提高了其运动速度。采用虚功原理推导了箝位机构放大倍数、静刚度的计算公式,建立驱动机构的伪刚体模型,并根据力矩平衡建立了驱动力矩与驱动电压之间的关系。根据所设计的微驱动器制作了样机,搭建了实验测试系统进行性能测试,测试结果表明,所设计的微驱动器在驱动频率5 Hz下,驱动电压100 V时达到最大步距783.5608μrad;在30 V驱动电压下,当驱动频率等于50 Hz时,达到最大转速18.54 rad/s;实验测得的最大驱动力矩为95.04 N?mm。所设计制作的微驱动器性能较好,对尺蠖微驱动器的发展具有一定的借鉴意义。

关键词：尺蠖驱动器压电陶瓷驱动器支持向量机分段控制虚功原理

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杠杆式尺蠖压电直线驱动器

光学精密工程 2015年第1期23卷 184-190页

作者：马立肖金涛周莎莎孙立宁上海大学机电工程与自动化学院上海200072 苏州大学机器人与微系统研究中心江苏苏州215021

设计了一种基于尺蠖运动原理的压电直线驱动器,用于解决光学领域中的精密定位问题。该驱动器采用了对称杠杆式位移放大机构,在保证钳紧力的同时,可以获得较大的驱动位移。阐述了尺蠖式压电驱动器的工作原理,对杠杆式柔性放大机构的位移... 详细信息

设计了一种基于尺蠖运动原理的压电直线驱动器,用于解决光学领域中的精密定位问题。该驱动器采用了对称杠杆式位移放大机构,在保证钳紧力的同时,可以获得较大的驱动位移。阐述了尺蠖式压电驱动器的工作原理,对杠杆式柔性放大机构的位移损失、压电陶瓷与柔性机构的耦合特性及箝位机构与中间驱动机构的刚度进行了分析。利用有限元软件Ansys对钳位机构和驱动机构的变形、应力、输出位移和固有频率等参数进行了仿真分析。最后,搭建了实验平台,测试了驱动器的各项性能。测试结果显示,该驱动器的行程为±25mm,钳紧力为17N,承载力为11N,最大和最小步距分别为55μm和60nm。当驱动电压为150V时,驱动器的最高驱动速度为1.259mm/s。得到的性能指标满足光学领域精密定位需要。

关键词：尺蠖驱动器柔性铰链压电陶瓷有限元分析

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尺蠖式直线微驱动器的设计

光学精密工程 2018年第1期26卷 122-131页

作者：胡俊峰杨展宏江西理工大学机电工程学院江西赣州341000

针对普通尺蠖式直线微驱动器运动速度低和输出力小等问题,基于柔顺机构设计了一种新型尺蠖式直线微驱动器。微驱动器由箝位机构、驱动机构和输出轴组成,其运动特点是驱动机构驱动箝位机构进行往复直线运动,箝位机构带动输出轴作直线运... 详细信息

针对普通尺蠖式直线微驱动器运动速度低和输出力小等问题,基于柔顺机构设计了一种新型尺蠖式直线微驱动器。微驱动器由箝位机构、驱动机构和输出轴组成,其运动特点是驱动机构驱动箝位机构进行往复直线运动,箝位机构带动输出轴作直线运动。箝位机构和驱动机构均采用柔性杠杆结构,保证了微驱动器所需的箝位力与驱动力,并提高了其运动速度。采用伪刚体方法建立了驱动电压与箝位力、驱动机构输入位移与输出位移之间的关系,根据功能原理建立了输入力与驱动力之间的关系并制作了样机,搭建了实验测试系统进行性能测试,测试结果表明,驱动器最大箝位力为216.43N,最大驱动力为13.5N,在驱动电压120V,频率95Hz时,达到最大速度48.91mm/s。

关键词：尺蠖驱动器柔顺机构杠杆机构伪刚体方法

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提高蠕动式压电直线驱动器输出力的研究进展

微特电机 2009年第12期37卷 61-64页

作者：张兆成胡泓哈尔滨工业大学黑龙江哈尔滨150001

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... 详细信息

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。

关键词：尺蠖驱动器箝位机构压电致动器