大行程压电驱动旋转平台的设计与分析

压电作动二维柔性结构稳像平台党冰楠;黄卫清;王寅【摘要】基于一种大行程、双向主动作动的压电直线作动器,设计了压电作动二维柔性结构稳像平台.稳像平台采用并联式设计方案,利用直角型柔性铰链作为导向机构,将压电作动器和二维柔性结构一体化设计.在有限元分析软件ANSYS里对稳像平台进行输出位移仿真,并加工样机进行实验研究.实验结果表明,在低压低频工作环境下,稳像平台有足够的行程满足二维平面的作动需求,并且内外压电部件嵌套设计的方法成功进行位移解耦.稳像平台的设计方案有效可行.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2019(048)005【总页数】4页(P110-112,274)【关键词】压电作动器;稳像平台;柔性结构;直角型柔性铰链;位移解耦【作者】党冰楠;黄卫清;王寅【作者单位】中国飞行试验研究院,陕西西安 710089;广州大学机械与电气工程学院,广东广州 510006;华侨大学机电及自动化学院,福建厦门 361021【正文语种】中文【中图分类】TH112.5;TN3840 引言光学稳像工作原理是在光学系统中利用稳像平台驱动成像系统中的光稳元件作动来补偿光轴的位移偏差以达到稳像目的[1-2]。

以压电作动器驱动的二维柔性结构稳像平台通过部分或全部具有柔性的构件弹性变形来产生位移和传递力，具有体积小、易制造、免装配、无摩擦、高精度等优点，可以实现纳米级的定位精度以及位移分辨率，引起了国内外学者的广泛研究[3-8]。

基于课题组研究的一种大行程、双向主动作动的压电直线作动器[9-10]，设计了一种压电作动二维柔性结构稳像平台。

对稳像平台输出位移进行了有限元仿真，实验研究了稳像平台位移输出特性。

1 稳像平台结构设计1.1 压电直线作动器作者所在课题组提出了一种大行程、双向作动的非共振式压电直线作动器，其结构如图1所示。

压电直线作动器由2种三角位移放大机构串联组成，当位移放大机构中的压电叠堆两端电压升高，压电叠堆受压伸长，作动器进行主动作动。

应用惯性冲击原理的非对称夹持式压电旋转驱动器的设计李晓韬;程光明;杨志刚;马希里;曾平【摘要】针对目前压电驱动器主要使用非对称锯齿波电信号驱动压电晶体实现驱动的现状,采用对称电压信号驱动压电振子,设计了非对称夹持式压电旋转驱动器.用对称波电信号作用在压电双晶片振子上,产生正反两个方向大小不同的周期性惯性冲击力,驱动机构实现旋转位移.建立了压电旋转驱动器的动力学模型,分析了非对称夹持旋转驱动器实现大小不同惯性冲击力的原理以及压电旋转驱动器的运动过程.组成了压电旋转驱动器的测试系统,在不同电压幅值、频率的方波激励下,对压电旋转驱动器的平均步长进行了测试.结果表明:非对称夹持式压电旋转驱动器能实现较稳定的单向转动,最大行程为360°,最大承载能力超过300 g,步长分辨率为5 μrad,最大转动速度为4 000 μrad/s;驱动器样机在20 V、2 Hz的方波激励下,平均运动步长为12 μrad,转动速度为24 μrad/s.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2010(018)001【总页数】6页(P156-161)【关键词】非对称波;惯性冲击;压电双晶片;旋转驱动器【作者】李晓韬;程光明;杨志刚;马希里;曾平【作者单位】吉林大学,机械科学与工程学院,吉林,长春,130022;吉林大学,机械科学与工程学院,吉林,长春,130022;吉林大学,机械科学与工程学院,吉林,长春,130022;吉林大学,机械科学与工程学院,吉林,长春,130022;吉林大学,机械科学与工程学院,吉林,长春,130022【正文语种】中文【中图分类】TM384;TH703.81 引言近年来,随着微纳米技术的迅猛发展,在超精密加工、精密器件微制造、精密测量、航天等相关技术领域都迫切需要精密驱动机构[1-5]。

压电陶瓷是一种广泛应用于精密微驱动领域的功能材料,能够实现微纳米级的精密位移控制,因而以压电材料为驱动元件的驱动器成为近年来精密驱动装置的一个重要分支。

高空作业车转台的结构设计及分析摘要本课题针对GKZ系列车型转台部分的要求工作装置，对GKZ型高空作业车回转机构进行设计及分析。

高空作业车由液压马达、回转减速器及回转小齿轮、回转支承等组成。

进行回转时，液压马达输出动力，通过回转减速器减速后带动输出轴上的小齿轮旋转，小齿轮与回转支承的齿圈啮合，由于回转支承的齿圈与车架刚性连接，因而回转减速器带动与之相连的转台回转。

本课题确定了高空作业车回转机构的传动方案，采用的单排四点接触球式回转支承，此类支承的主要优点是同时承受轴向、径向力和复合力矩。

适用子中小型起重机。

转台的结构设计采用的是倒π型结构，前后两个高强板，左右各一个支承板，再加两个加强筋形成。

对转台采用PRO/E进行建模，将建好的模型通过转化放入ANSYS中进行有限元分析，分析出变形最大和受应力最大的接触面，对分析的结果的提出改进方案，对改进后的方案进行有限元分析比较, 确定最佳方案。

本方案的设计为同类转台的结构设计提供了理论依据和分析方法。

在课题设计的过程中使用的方法有：（1）在结构设计过程中主要对转台的的受力情况进行分析，计算出转台的受力大小和转台的自重，对传动齿轮的设计及强度校核，运用绘图软件PRO/E进行建模。

（2）将模型导入ANSYS中，对转台的受力情况进行分析查看其分析的结果，确保转台的变形和所受的应力均能符合设计要求。

[关键词]：高空作业车；转台结构设计；有限元分析；ANSYSConstructional design and analysis for turn-table of aerial work platformsAbstractAccording to the requirement of working devices of turn-tables in the machine series type GKZ, this paper presented the constructional design and analysis for slewing mechanism of aerial work platforms. The aerial work platforms comprised hydraulic motors, rotary speed reducers, revolving pinions, slewing bearings and so on. When the turn-table slewed, the hydraulic motor transmitted power output which enabled pinions on the output shaft to revolve. Pinions were meshed with ring gear on slewing bearings. Due to rigid connection between the ring gear on slewing bearings and the chassis, turn-tables were rotated by rotary speed reducers. Gear plan for slewing mechanism of aerial work platforms and constructional design for turn-table were presented.Gear plans transmission for slewing mechanism of aerial work platforms was provided in which single-row four-point contact ball slewing bearings were adopted. The advantage of this type of bearing, which suited small and medium crane, was that it can bear axial force, radial force and compound moment at the same time. Configurations of anti type π were adopted in constructional design for turn-table, in which there were two high strength plates in tandem, two eudipleural supporting plates and two stiffened panels. Modeling and simulation of turn tables were obtained using PRO/E. The obtained modeling was transformation and analyzed by ANSYS Finite Element Analysis software. Consequently, contact area in the maximum of deformation and stress were analyzed. According to the results, improved schemes were presented, which were further analyzed and compared by finite element analysis. Finally, the best scheme was founded. This project provided the approaches of constructional design for the similar type of turn-table in theory.The following methods were used in this project: 1) Force situation of turn tables were analyzed in constructional design, and force variation and mass of turn-tables were calculated. The design and intensity of transmission gear were checked. Modeling and simulation were obtained using drawing software PRO/E; 2) The modeling were imputed into ANSYS and bearing force of turn-tables were analyzed. The results ensured that the deformation of turn-tables and their bearing force would meet the design requirements.[Keywords]: Aerial work platform; Turn-tables; Constructional design; Finite element analysis;ANSYS目录第一章绪论 (1)§1．1 引言 (1)§1．2 高空作业车的国内外发展概况 (1)1.2.1高空作业车的国外发展趋势与动向 (2)1.2.2高空作业车国内现状、差距与如何提高的方法 (3)§ 1.3 高空作业车的组成 (5)1.3.1工作机构 (5)1.3.2金属结构 (6)1.3.3动力装置 (6)1.3.4控制系统 (7)§ 1.4 本课题研究的意义 (7)第二章高空作业车的转台的结构分析 (8)§2.1 高空作业车的转台总体结构设计 (8)2.1.1转台的组成 (8)§2-2 转台的受力分析 (13)2.2.1转台的自重G (14)§2-3 上下臂的受力分析及计算 (16)2.3.1上臂的受力分析 (17)2.3.2下臂的受力分析 (19)§2-4 回转支承装置的计算 (21)2.4.1回转支承装置的计算载荷 (21)2.4.2转盘式回转支承装置的计算 (22)2.4.3按承载能力曲线选取合适的回转支承型号 (22)2.4.4转盘式回转支承装置的计算 (24)2.4.5按承载能力曲线选取合适的回转支承型号 (24)§2.5 传动齿轮的计算 (25)第三章转台的有限元分析 (28)§3.1 有限元方法的基础知识 (28)§3.2 有限元分析软件ANSYS (30)§3.3 转台结构的有限元分析 (34)3.3.1 实体建模 (34)3.3.2计算模型 (34)3.3.3有限元模型 (36)第4章结论 (43)致谢 (44)参考文献 (45)第一章绪论§1．1 引言工程机械广泛应用于经济建设的各部门，并且在整个经济发展中占有十分重要的地位。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910291764.3(22)申请日 2019.04.08(71)申请人 浙江师范大学地址 321004 浙江省金华市婺城区迎宾大道688号(72)发明人 万嫩　李建平　胡意立　(51)Int.Cl.H02N 2/14(2006.01)H02N 2/12(2006.01)(54)发明名称一种基于爬行原理的压电旋转驱动平台(57)摘要本发明涉及一种基于爬行原理的压电旋转驱动平台。

该平台主要由两组压电驱动单元、弹簧垫片、转子、预紧螺母、螺钉轴、螺钉和底座组成，其中压电驱动单元包括压电叠堆、预紧楔块、薄壁式柔性铰链机构。

两组薄壁式柔性铰链机构可实现寄生惯性运动；两个压电叠堆分别斜置安装在两个薄壁式柔性铰链机构内，通过两组薄壁式柔性铰链机构的寄生惯性运动实现转子的旋转驱动。

本发明采用两组驱动单元，对两组电压进行时序控制，两组驱动单元交替工作，可消除回退现象，提高输出性能。

该平台可实现高效旋转运动，可应用于精密超精密机械加工、微机电系统、微操作机器人、大规模集成电路制造、生物技术领域。

权利要求书1页 说明书2页 附图2页CN 110912447 A 2020.03.24C N 110912447A权　利　要　求　书1/1页CN 110912447 A1.一种基于爬行原理的压电旋转驱动平台，包括两组压电驱动单元、弹簧垫片、转子、预紧螺母、螺钉轴、螺钉和底座，压电驱动单元包括预紧楔块、压电叠堆、薄壁式柔性铰链机构，其特征在于：所述平台利用寄生惯性原理采用两组驱动单元交替驱动实现旋转运动的精密驱动。

压电叠堆斜置在薄壁式柔性铰链机构内，在电压控制下压电叠堆伸长，驱动柔性铰链机构做寄生惯性运动，同时提供了薄壁式柔性铰链机构与转子间的预紧力和转子旋转的驱动力。

该平台通过对两组压电驱动单元时序控制，交替提供驱动电压，当只有一组压电驱动单元工作时，这组中的压电叠堆通电，压电叠堆缓慢伸长，通过驱动这组中的柔性铰链机构做寄生惯性运动推动转子旋转；当这组压电叠堆将要失电时，另一组压电驱动单元中的压电叠堆得电缓慢伸长，通过驱动另一组中的柔性铰链机构做寄生惯性运动推动转子继续旋转。

高精度压电旋转台用于电子器件无损检测 现如今，半导体器件、印刷电路板等电子器件在很多领域都得到广泛应用，这些电子器件的性能直接影响整个系统的性能，它们的可靠性起到了很重要的作用。随着电路板上元器件密度的日益增大，器件间的连接点只有微米级，常规的检测手段受到了极大的限制，因为需要精度更高的测试方法。

光学微扫描显微成像系统以其检测速度快、精度高等特点受到广泛关注。其原理是在系统中加入高精度压电旋转平台，使显微热图像在四个依次相差90°的倾斜角条件下采集采样图像，形成微扫描模式，显微成像处理系统通过与获取微扫描图像相同的方式交叉融合形成采样图像。

其中高精度压电旋转平台以其旋转角度大、精度高、响应速度快等特点，成为该系统中的核心器件。 芯明天P21为一维θz 压电旋转台，产品体积小巧，最大旋转角度7.5mrad，承载能力达0.1kg，可带动镜片做精密旋转运动。

P21一维旋转台采用机构放大设计原理，体积小巧、结构紧凑，尺寸仅为60×60×15mm，非常易于集成到精密旋转设备中。采用压电陶瓷作为驱动元件，台体采用柔性铰链机构，无摩擦、无回差，可以实现0.2μrad的分辨率。内置SGS传感器配套闭环控制器可以实现微弧度的定位精度，在光路精密角度调整中起着非常重要的作用。

技术参数 型号：P21.R7 运动自由度：θz 旋转角度(0~120V)：6mrad（≈1240”） 旋转角度(0~150V)：7.5mrad（≈1500”） 闭环传感器：SGS 闭/ 开环分辨率：0.4/0.2μrad 闭环线性度：0.5%F.S. 闭环重复定位精度：0.2%F.S. 推/拉力：10/5N 运动方向刚度：1 N/μm 空载谐振频率：1.1kHz 闭/开环空载阶跃时间：30/1.5ms 承载能力：0.1kg 静电容量：1.8μF 材质：铝 重量：105g