国家自然科学基金(51175271)
- 作品数：16 被引量：68H指数：5
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- 压电自感知微夹钳被引量：7
- 2015年
- 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。
- 崔玉国郑军辉马剑强蔡成波
- 基于自感知反馈的压电微夹钳PID控制
- 2016年
- 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.
- 蔡成波崔玉国孙庆龙薛飞郑军辉
- 关键词：PID控制
- 压电微动平台的定位控制被引量：5
- 2015年
- 为使压电微动平台定位速度快、定位精度高,采用复合控制方法来对其进行定位控制。基于保证模型精度并使精度在整个阈值区间变化尽量均匀的要求,来使阈值最优化,进而建立了压电微动平台的迟滞模型。基于所建平台迟滞模型,设计了其前馈控制器;为抑制平台的超调,在常规数字增量式PID中引入滤波器设计了其反馈控制器;将前馈控制与PID反馈控制相结合,设计了平台的复合控制器。实验结果表明:所建平台迟滞模型仅有7个算子,且均为有效算子,在16.3μm的最大实测位移下,模型最大误差为0.208μm;在复合控制作用下,平台达到5μm目标值的响应时间为0.173 s,虽慢于前馈控制,但明显快于PID反馈控制;在最大位移为17.155μm的参考输入作用下,若不考虑传感器噪声,平台的定位误差几乎为零。
- 崔玉国朱耀祥马剑强方凡
- 关键词：前馈控制复合控制
- 2-DOF柔性微动平台的拓扑优化设计被引量：2
- 2016年
- 采用拓扑优化方法在给定设计区域内寻求材料的最佳分布,以获得布局合理的2-DOF微动平台新构型。在考虑平台所受载荷的情况下,采用变密度法及连续体柔性结构互能与应变能的比值法,建立了平台单自由度方向上的拓扑优化目标函数,并基于线性加权法建立了2-DOF平台的多目标拓扑优化数学模型,通过对所建模型求解,得到了具有对称双圆弧柔性薄板式弹性单元体的2-DOF微动平台的新构型。对平台的静动态特性进行了有限元分析及实验测试,结果表明:在150 V驱动电压作用下,x、y方向的位移分别为16.7μm、15.46μm,位移耦合分别为0.47μm、0.50μm,x、y方向的固有频率均为1.725 k Hz,在20 N阶跃输入力作用下,x、y方向的响应时间均约为13 ms。
- 由永升崔玉国孙庆龙淳华郑邵雍
- 关键词：拓扑优化有限元分析
- 基于阈值优化的压电微动平台迟滞模型
- 2016年
- 为减少PI迟滞模型的无效算子数,进而提高模型的运算速度,采用阈值优化法来改进PI迟滞模型。采用PI迟滞模型拟合被描述对象的实测曲线时,实测曲线在各阈值点处的斜率可用该点处迟滞算子的权重和来表达,该权重和越接近该点曲线的斜率,PI迟滞模型的精度就越高。这样便可在保证模型精度满足要求并使其在各阈值点处相同的情况下,对模型的阈值进行优化,进而减少模型的算子数。根据测得的最大实测升程曲线,基于阈值优化法,建立了压电微动平台的迟滞模型。实验结果表明,所建模型算子数仅为7个,且不含无效算子;在0~15.94μm的位移范围内,所建模型的误差变化范围为0.23~0.40μm,即1.4%~2.5%。所建模型可较好地描述压电微动平台的迟滞非线性。
- 王子宾崔玉国宋林方凡
- 关键词：阈值优化
- 压电微动平台的改进PID控制被引量：7
- 2016年
- 为使压电微动平台具有良好的静动态特性,即响应快,超调量小,无振荡及稳态误差小,采用比例、积分、微分(PID)控制法来对其进行定位控制。将常规PID控制中积分环节的矩形积分改进为梯形积分,以提高压电微动平台的控制精度;采用微分分离法对常规PID控制中的微分环节进行改进,以使压电微动平台在具有良好稳定性的情况下,具有很快的响应速度。实验验证了压电微动平台改进PID控制的有效性,结果表明,压电微动平台对4μm阶跃参考位移的响应时间为0.05s,输出略有超调,但无振荡,且稳态误差几乎为0;在变幅值三角波及任意波形参考输入作用下,压电微动平台的输出可很好地跟踪输入。
- 蔡成波崔玉国蔡永根李勇
- 压电微夹钳钳指位移与夹持力的检测被引量：24
- 2015年
- 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。
- 崔玉国朱耀祥娄军强冯锋义
- 关键词：电阻应变片
- 压电微夹钳的复合控制模型及实验被引量：3
- 2015年
- 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.
- 郑军辉崔玉国娄军强薛飞
- 关键词：前馈控制复合控制
- 压电微夹钳的迟滞及蠕变补偿被引量：4
- 2019年
- 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。
- 卢志诚刘文翠惠相君周鹏飞孙靖康汪家乐崔玉国
- 四自由度压电微夹钳的结构设计及尺寸参数优化被引量：1
- 2016年
- 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.
- 王子宾崔玉国孙庆龙郑军辉邬亮恩
- 关键词：四自由度特性分析
