针对目前硬脆性材料在普通研磨抛光中存在的加工效率低、加工精度不高等问题,设计了一种超声研磨压电谐振系统。基于超声振动方程和谐振设计理论,对其进行了理论分析和结构设计。通过对变幅杆尺寸优化降低了设计频率的误差,并利用有限元软件ANSYS Workbench验证了变幅杆谐振频率与超声研磨系统谐振频率的一致性,提高了整个系统的纵向谐振性能。最后对该超声研磨系统进行了阻抗和振幅试验,测试结果表明压电振子工作时电能与机械能的转化效率较高,纵向振幅达到10.85um,符合超声研磨加工振幅要求,验证了理论设计与有限元分析的正确性。

基于兰杰文一阶纵振设计了一种新型超声悬浮轴承和一种微扭矩测量系统，该系统可以减小输出轴上的摩擦，增加输出扭矩；搭建了实验平台，在超声悬浮轴承工作和未工作条件下进行对比实验，实验结果表明，该超声悬浮轴承在工作状态下可以将机械摩擦损耗减小80％左右。

提出了一种新型模态转换压电钻。该压电钻将钻头斜向安装在定子基体上,形成一个纵弯模态转换器。利用压电陶瓷的逆压电效应使定子基体产生纵向振动并通过纵弯模态转换器将该纵向振动转换成钻头部分的局部弯振,从而在钻头端部合成为椭圆运动,为切削及钻孔提供动力。利用有限元分析软件ANSYS对压电钻进行结构设计,仿真了钻头在设计工作频率下的切削轨迹。根据仿真结果试制了一台样机,对该样机进行了激光扫频实验,结果表明,样机工作频率为56kHz,切削频率可达336×104次/min,切削幅度则可控制在微米级。实验表明该样机配上普通牙钻,可在普通打印纸、硬纸板、铝板、钢板上进行切削、钻孔等操作。

基于叠层式压电陶瓷在低频带范围内的变形幅值大，与驱动电压线性度好且基本不随驱动频率变化的特点，提出并研制了一种低频大行程直线型压电电机。与共振式压电电机相比，该电机在低频范围内输出速度与驱动频率的线性度好，可控性较好。对电机的工作机理进行了分析，同时利用有限元软件对电机的结构进行设计，并试制了原理样机。实验结果表明，电机可在100Hz～2kHz的频带工作，其速度在100Hz～1kHz的频带内基本和频率成正比，最大空载速度为60mm／min。

为提高双足压电直线作动器的有效驱动,增强作动器中二级杠杆微位移结构和柔性铰链的放大能力,对作动器的结构参数进行优化。首先,对二级杠杆微位移机构的放大倍数进行理论计算,基于ANSYS完成作动器定子作动仿真过程;其次,通过仿真分析发现,在作动器定子中综合使用直圆型柔性铰链和直梁型柔性铰链,会使作动器定子放大倍数得到优化,最优铰链参数对应的放大倍数为8.131最后,制作了该作动器样机并进行了定子驱动足振幅测试,两驱动足的振动相对稳定。实验结果表明,驱动足FF的位移振幅在60和63!m的上下范围浮动,与实际相符合。与现有的压电直线作动器相比较,该作动器结构简单,易于安装调试,具有大振幅驱动和运行稳定等特点。

设计了一种基于桥式放大原理的出串联式二维微定位平台，通过理论分析与实验数据相对比，对平台的刚度、输出位移、精度以及其固有频率进行了分析与验证。首先，根据桥式放大原理设计了单向的运动机构，将两个单向机构通过串联方式连接实现二维的独立运动。然后，对单向运动机构建立理论模型，求其等效刚度和理论固有频率。最后，通过有限元仿真和实验分析，对二维平台的输出性能和模态进行验证。实验结果表明：在低频率工作状态下（100Hz以内）二维平台的输出位移与输入电压成良好的正比例关系且两方向的输出性能相似，测得最小分辨步进位移（即精度）为50nm。