智能結(jié)構(gòu)器件

1、北京航空航天大學(xué) 智能結(jié)構(gòu)器件及其應(yīng)用智能結(jié)構(gòu)、器件及其應(yīng)用院(系)名稱(chēng)：機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院學(xué)生 姓名：學(xué) 號(hào)：班 級(jí)：2013年1月11日目 錄1. 超聲波電動(dòng)機(jī)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用11.1超聲波電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)介11.2 超聲波電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理11.3 超聲波電動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀31.3.1 國(guó)外超聲波電動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀31.3.2 國(guó)內(nèi)超聲波電動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀41.4 超聲波電動(dòng)機(jī)在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用51.4.1 超聲波電動(dòng)機(jī)適用于航空航天領(lǐng)域的原因51.4.2 超聲波電動(dòng)機(jī)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的典型實(shí)例61.4.3 制約超聲電機(jī)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用范圍的因素82. 壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器舉例 一種

2、壓電疊堆泵92.1 壓電疊堆原理92.2 壓電疊堆特性92.3 一種新型壓電疊堆直線(xiàn)電機(jī)102.3.1 電機(jī)的摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)理11圖8 電機(jī)的摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)理112.3.2 電機(jī)的振動(dòng)模型11圖9 電機(jī)的振動(dòng)模型122.3.3 電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)13圖10 電機(jī)定子結(jié)構(gòu)13圖11 樣機(jī)實(shí)物圖132.3.4 實(shí)驗(yàn)13圖12 電機(jī)速度與頻率之間的關(guān)系14圖13 電機(jī)速度與電壓之間的關(guān)系143. 壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器實(shí)例 一種旋轉(zhuǎn)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器143.1 壓電雙晶片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)143.1.1 雙晶片的結(jié)構(gòu)14圖14 雙晶片結(jié)構(gòu)示意圖143.1.2 雙晶片的工作原理15圖15 雙晶片變形輸出示意圖153.2 壓電驅(qū)動(dòng)器

3、的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理15圖16 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖163.3 壓電驅(qū)動(dòng)器的性能研究163.3.1 轉(zhuǎn)速與電壓的關(guān)系16圖17 轉(zhuǎn)速和電壓的關(guān)系163.3.2 轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系16圖18 轉(zhuǎn)速和頻率的關(guān)系174. 壓電雙晶片型慣性沖擊式旋轉(zhuǎn)精密驅(qū)動(dòng)器174.1 驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和工作原理17圖19 驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖184.2 驅(qū)動(dòng)器性能試驗(yàn)19圖20 驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)示意圖194.3驅(qū)動(dòng)器試驗(yàn)結(jié)果分析195. 壓電自適應(yīng)桁架結(jié)構(gòu)智能振動(dòng)控制205.1 壓電主動(dòng)桿件的設(shè)計(jì)20圖21 壓電主動(dòng)桿結(jié)構(gòu)圖215.2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器21圖22 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器215.2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層間計(jì)算215.2.2 模

4、糊規(guī)則的定義226 智能結(jié)構(gòu)和器件的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)237. 參考文獻(xiàn)24 261. 超聲波電動(dòng)機(jī)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用1.1超聲波電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)介超聲電機(jī)（Ultrasonic Motor 或簡(jiǎn)寫(xiě)為USM）技術(shù)是振動(dòng)學(xué)、波動(dòng)學(xué)、摩擦學(xué)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、電力電子、自動(dòng)控制、新材料和新工藝等學(xué)科結(jié)合的新技術(shù)。與傳統(tǒng)的電機(jī)利用電磁的交叉力來(lái)獲得其運(yùn)動(dòng)和力矩不同，超聲波電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)來(lái)獲得其運(yùn)動(dòng)和力矩的，將材料的微觀變形通過(guò)機(jī)械共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運(yùn)動(dòng)1。在這種新型電機(jī)中，壓電陶瓷材料盤(pán)代替了許許多多的銅線(xiàn)圈。是 20世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的一種新的微型驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它沒(méi)有繞組和磁路，

5、不以電磁相互作用來(lái)傳遞能量，而是基于壓電材料的逆壓電效應(yīng)（即電致伸縮效應(yīng)），而是利用超聲波振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。 由于這種新型電機(jī)的工作頻率一般在20kHz以上，所以稱(chēng)為超聲波電機(jī)。超聲波電機(jī)打破了傳統(tǒng)電機(jī)必須由電磁效應(yīng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的固有概念，與電磁式電機(jī)相比，超聲波電機(jī)具有以下特點(diǎn)：(1) 體積小，重量輕。 (2) 低速大轉(zhuǎn)矩。(3) 響應(yīng)迅速，控制特性好。 (4) 有斷電自鎖功能。 (5) 與外界無(wú)相互電磁干擾。 (6) 結(jié)構(gòu)形式多樣化。超聲電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小型輕量、響應(yīng)速度快，噪聲低、低速大轉(zhuǎn)矩、控制特點(diǎn)好、斷電自鎖、不受磁場(chǎng)干擾，運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，另外還具有耐低溫、

6、真空等適應(yīng)太空環(huán)境的特點(diǎn)。首先由于質(zhì)量輕，低速且大轉(zhuǎn)矩從而不需要附加齒輪等變速結(jié)構(gòu)，避免了使用齒輪變速而產(chǎn)生的震動(dòng)、沖擊與噪聲、低效率、難控制等一系列問(wèn)題；其次它突破了傳統(tǒng)電機(jī)的概念，沒(méi)有電磁繞組和磁路，不用電磁相互作用來(lái)轉(zhuǎn)換能力，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)、超聲振動(dòng)和摩擦耦合來(lái)轉(zhuǎn)換能量。從而實(shí)現(xiàn)了安靜、污染??；定位精度高；不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)?？梢哉f(shuō)超聲電機(jī)技術(shù)處于世界上最新高科技之一。1.2 超聲波電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理超聲波電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，按照驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的機(jī)理可分為駐波型和行波型兩種。駐波型是利用與壓電材料相連的彈性體內(nèi)激發(fā)的駐波來(lái)推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，屬間斷驅(qū)動(dòng)方式；行波型

7、則是在彈性體內(nèi)產(chǎn)生單向的行波，利用行波表面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡來(lái)傳遞能量，屬連續(xù)驅(qū)動(dòng)方式。目前，環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)均較為成熟。環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括定子、轉(zhuǎn)子、壓力彈簧和轉(zhuǎn)軸等部件。目前應(yīng)用和研究最多的是環(huán)形超聲波電動(dòng)機(jī)，環(huán)形超聲波電動(dòng)機(jī)的基本工作原理如下：當(dāng)粘連金屬?gòu)椥泽w上的兩片壓電陶瓷上施加相位差90度的高頻電壓時(shí)時(shí)，在彈性體內(nèi)產(chǎn)生兩組駐波，這兩組駐波合成一個(gè)沿彈性體圓周方向行進(jìn)的駐波，使得定子表面的質(zhì)點(diǎn)形成一定運(yùn)動(dòng)軌跡（通常為橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡）的超聲波微觀振動(dòng)，如圖2（a）所示。這種微觀振動(dòng)通過(guò)定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦力使轉(zhuǎn)子沿某一方向連續(xù)運(yùn)動(dòng)，如

8、圖2（b）所示。一般而言，超聲波電動(dòng)機(jī)的工作特性與電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)類(lèi)似， 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增大而下降，并且呈現(xiàn)一定的非線(xiàn)性。而超聲波電動(dòng)機(jī)的效率則與電磁式電機(jī)不同， 最大效率出現(xiàn)在低速、大轉(zhuǎn)矩區(qū)域，如圖3所示。因此， 超聲波電動(dòng)機(jī)非常適合低速運(yùn)行?？傮w而言，超聲波電動(dòng)機(jī)的效率較低，這是它的一個(gè)缺點(diǎn)。目前，環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的效率一般不超過(guò)50%。圖2 環(huán)形行波形超聲波電動(dòng)機(jī)示意圖1.3 超聲波電動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀1.3.1 國(guó)外超聲波電動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀超聲波電動(dòng)機(jī)最早是在20世紀(jì)60年代由前蘇聯(lián)科學(xué)家V.V lavrinenko設(shè)計(jì)出來(lái)了世界上第一臺(tái)壓電旋轉(zhuǎn)電機(jī)。此后關(guān)于超聲電機(jī)的研究

9、越來(lái)越多。最早將超聲電機(jī)產(chǎn)業(yè)化的是日本的T.Sashida教授。他在1980年提出并成功制造出一種駐波型超聲電機(jī)。同時(shí)日本也是當(dāng)前研究超聲電機(jī)發(fā)展水平最高的國(guó)家，幾乎擁有大部分的專(zhuān)利。他們不僅在新型電機(jī)以及新型驅(qū)動(dòng)機(jī)理的的研究上建樹(shù)頗深，而且對(duì)于超聲電機(jī)效率的提高，預(yù)壓力對(duì)表面質(zhì)點(diǎn)橢圓軌跡的影響等深層次的研究也取得了很大的成績(jī)。它掌握著世界上大多數(shù)超聲波電機(jī)技術(shù)的發(fā)明專(zhuān)利。在日本，幾乎各知名大學(xué)和許多公司都對(duì)超聲電機(jī)進(jìn)行了研究和生產(chǎn)。環(huán)狀行波型和棒狀行波型電機(jī)已大批量生產(chǎn)，最近一種駐波型電機(jī)也已投入批量生產(chǎn)，主要用于工作時(shí)間短、精度高及某種特定功能的機(jī)器或領(lǐng)域中。日本公司將超聲波電機(jī)應(yīng)用于自動(dòng)

10、門(mén)、風(fēng)扇、微動(dòng)臺(tái)、控制臺(tái)、家電產(chǎn)品中，進(jìn)一步開(kāi)辟并擴(kuò)大其應(yīng)用市場(chǎng)2。近年來(lái)，除了日本之外，美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、瑞士、韓國(guó)、土耳其和新加坡等都有超聲波電機(jī)產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，在這些國(guó)家中，以美國(guó)發(fā)展得最快，應(yīng)用的領(lǐng)域也最廣3經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展，美國(guó)許多單位都在進(jìn)行超聲波電機(jī)的研究，如麻省理工學(xué)院(MIT)、美國(guó)航空航天局(NASA)、噴射推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL) ,Stanford, Berkeley, Wisconsin, Penn. State和 DARPA(Defense Advanced Research ProjectAgency)等4。美國(guó)某些公司生產(chǎn)的超聲波電機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)在航空航天、半導(dǎo)體工業(yè)、ME

11、MS、和Bio MEMS等領(lǐng)域先后得到了應(yīng)用。美國(guó)為了發(fā)展空間的反導(dǎo)彈、反衛(wèi)星及情報(bào)偵察系統(tǒng)，近幾年將要發(fā)射100個(gè)以上的納米衛(wèi)星(質(zhì)量7-8kg)。這種納米衛(wèi)星的核心技術(shù)之一是微機(jī)械和微傳感系統(tǒng)，包括微傳感/遙感器、微陀螺和微驅(qū)動(dòng)器。為此，美國(guó)正加速發(fā)展微型超聲電機(jī)(直徑僅1-2mm）。圖1為美國(guó)賓州(Penn. State)大學(xué)研發(fā)的微型超聲波電機(jī)最新成果3，該電機(jī)直徑為1.8mm，長(zhǎng)度為4mm 。圖4 美國(guó)賓州大學(xué)微型超聲波電機(jī)1.3.2 國(guó)內(nèi)超聲波電動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀我國(guó)超聲波電機(jī)研究的起步和美、德、法、韓國(guó)等國(guó)差不多。自“首次全國(guó)超聲電機(jī)技術(shù)研討會(huì)”后，超聲波電機(jī)更受到各方面的關(guān)注，特別

12、是得到國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)和863高技術(shù)專(zhuān)家組的大力支持和資助5。我國(guó)的超聲波電機(jī)技術(shù)得到較快的發(fā)展，先后有清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、長(zhǎng)春光機(jī)所、哈爾濱工程大學(xué)水聲研究所、吉林工業(yè)大學(xué)、南京航空航天人學(xué)、北京科技大學(xué)、天津大學(xué)、上海冶金研究所、華中科技大學(xué)、東南大學(xué)、信息產(chǎn)業(yè)部電子第21研究所等十幾所單位開(kāi)展了對(duì)超聲波電機(jī)的研究。其內(nèi)容涉及超聲波電機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)理、諧振頻率計(jì)算、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、控制方法以及樣機(jī)的研制和試驗(yàn)，基本型式幾乎涵蓋目前所出現(xiàn)的所有超聲波電機(jī)類(lèi)型。在超聲波電機(jī)的研究領(lǐng)域里，比較著名的學(xué)者有趙淳生教授，胡敏強(qiáng)教授，陳維山教授，郭吉豐教授 ，陳永校教授。南京航空航天大學(xué)在趙

13、淳生教授的帶領(lǐng)下研制了多種不同型號(hào)的超聲波電機(jī)。清華大學(xué)物理系已研制成直徑l0mm, 5mm, 3 mm, 1.5mm, lmm的多種微型超聲波電機(jī)，空載轉(zhuǎn)速數(shù)百轉(zhuǎn)到上千轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速可調(diào)，力矩從幾微牛米到幾百微牛米，可為醫(yī)用超聲內(nèi)窺鏡的超聲探頭提供驅(qū)動(dòng)源，進(jìn)而為形成一體化結(jié)構(gòu)打下了良好應(yīng)用基礎(chǔ)6,7,8。但是國(guó)內(nèi)各單位對(duì)超聲波電機(jī)的研究只限于實(shí)驗(yàn)室9至今還沒(méi)有達(dá)到實(shí)用階段。1.4 超聲波電動(dòng)機(jī)在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用1.4.1 超聲波電動(dòng)機(jī)適用于航空航天領(lǐng)域的原因(1)低速大轉(zhuǎn)矩，能量密度大。為了防止和減少機(jī)械在真空和失重情況下產(chǎn)生的反向沖擊，航天器需要在低速下工作。傳統(tǒng)的電磁電機(jī)要實(shí)現(xiàn)低速工作，

14、需要減速機(jī)構(gòu)，增大了系統(tǒng)的體積、質(zhì)量以及復(fù)雜性，相應(yīng)地增加了成本。超聲波電動(dòng)機(jī)的能量密度是電磁電機(jī)的3 -5 倍，低速下可產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，不需要齒輪減速機(jī)構(gòu)，因而體積小，重量輕，控制精度高，響應(yīng)速度快，從而降低了系統(tǒng)的質(zhì)量、體積及復(fù)雜性，增加了可靠性。(2) 速度響應(yīng)快，控制精度高。由于超聲披電動(dòng)機(jī)是在高頻域振動(dòng)，能量衰減極快，因此有極高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，故易于實(shí)現(xiàn)高精度的位置伺服控制，可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)定位控制。(3) 停電后具有摩擦自鎖功能。超聲波電動(dòng)機(jī)獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)原理，定轉(zhuǎn)子依靠摩擦驅(qū)動(dòng)，因此可以實(shí)現(xiàn)斷電自鎖，不需要專(zhuān)門(mén)的制動(dòng)裝置，大大降低了系統(tǒng)的體制和質(zhì)量。(4) 適于在高溫環(huán)境下工作。超聲波

15、電動(dòng)機(jī)除了壓電材料、摩擦材料和少量的絕緣材料外，其余都是金屬材料。因此超聲波電動(dòng)機(jī)能否在太空環(huán)境下工作，關(guān)鍵在于壓電陶囂的性能。據(jù)報(bào)道，美國(guó)已經(jīng)研制出可以承受到500高溫的壓電陶瓷，我國(guó)生產(chǎn)的壓電陶輯的居里溫度為320 ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)前正在進(jìn)行的火星探測(cè)和月球探測(cè)的對(duì)象火星和月球表面的最高溫度，這說(shuō)明壓電電動(dòng)機(jī)可以在行星表面的高溫環(huán)境工作。哈爾提工業(yè)大學(xué)研制的超聲被電動(dòng)機(jī)在75 的溫度下工作，不過(guò)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載特性有了較大的降低，因此還需要進(jìn)一步的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作山。而電磁式電機(jī)有大量的線(xiàn)圈及絕緣塑料，較高的幅度會(huì)加速塑料的老化，限制了電磁電機(jī)的應(yīng)用。(5 )適于在低淚下工作。美國(guó)Y. Bar

16、- Cohen研究的旋轉(zhuǎn)型行波超聲波電動(dòng)機(jī)可以在- 150 的低溫和2. 1 Pa 真空度環(huán)境下工作334 h ，且在933Pa 的真空下工作230 個(gè)090溫度循環(huán)，其研制的超聲波電動(dòng)機(jī)的性能沒(méi)有發(fā)生變化。在此低溫和真空下，電磁式電機(jī)的潤(rùn)滑油不能夠正常工作，因此限制了電磁式電機(jī)的應(yīng)用。但超聲波電動(dòng)機(jī)則不需要潤(rùn)滑油。(6) 抗磁干擾能力強(qiáng)。由于超聲搜電動(dòng)機(jī)無(wú)鐵心和線(xiàn)圈，不產(chǎn)生磁場(chǎng)，也不受外界磁場(chǎng)干擾，因此抗電磁干擾性強(qiáng)，即電磁兼容性好。由于超聲波電動(dòng)機(jī)具有以上優(yōu)點(diǎn)，因此，超聲波電動(dòng)機(jī)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，并在航空航天、機(jī)器人、微型機(jī)械等領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用。1.4.2 超聲波電動(dòng)機(jī)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)

17、用的典型實(shí)例近幾年來(lái)，己有許多國(guó)家紛紛將超聲波電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域，其中較為典型的有美國(guó)的JPLMIT、NASA 的空間研究中心,日本的NASDA和宇宙研究所等。1)美國(guó)利用超聲波電動(dòng)機(jī)低速大力矩和高精度等特點(diǎn)，美國(guó)NASA將超聲電機(jī)應(yīng)于空間機(jī)器人技術(shù)。在火星探測(cè)器的輕量機(jī)械臂上的微型機(jī)械手使用了一個(gè)扭矩為0.05 N m 的超聲電機(jī)，火星機(jī)械手在Microarm上使用了三個(gè)扭短為0.68 N m 和一個(gè)扭矩為0.11 N m的超聲電機(jī)。因此Microarm結(jié)構(gòu)雖與Microarm I相似，但重量減輕了40。圖5為火星車(chē)外觀結(jié)構(gòu)。圖5 火星車(chē)1998年JPL專(zhuān)門(mén)與加利福尼亞理工學(xué)院設(shè)立了一

18、個(gè)博士后點(diǎn)來(lái)進(jìn)行此項(xiàng)研究。1998年12月的MARS 98就采用了超聲電機(jī)作為其操縱器10，如圖5所示。圖5 USM用于著陸器的微控制器此外美國(guó)NASA 的火星探測(cè)者計(jì)劃中，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL) 和麻省理工學(xué)院( MIT) 聯(lián)合研制了一種雙面齒結(jié)構(gòu)超聲電機(jī)10，應(yīng)用于火星探測(cè)器操作臂關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的微著陸器。與傳統(tǒng)的超聲電動(dòng)機(jī)相比，在相同尺寸及材料的情況下，雙面齒超聲波電動(dòng)機(jī)的輸出力矩、力矩密度及功率都接近其兩倍 。該電機(jī)的扭矩達(dá)1. 7 N m ，使用最低溫度達(dá)- 100"C ，比用傳統(tǒng)的電機(jī)減輕質(zhì)量30% 。圖6a 為火星做著陸器，圖6b 為雙面齒超聲波電動(dòng)機(jī)。圖6 超聲電機(jī)用

19、于火星探測(cè)微著陸器2)日本日本的micro5月球漫游車(chē)的微操作手具有5個(gè)自由度，由于每個(gè)關(guān)節(jié)都需要長(zhǎng)時(shí)間的保持一種位姿，因此需要制動(dòng)裝置。但由于每個(gè)關(guān)節(jié)使用了一個(gè)超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，不需要消耗額外的電源和CPU資源就可以實(shí)現(xiàn)操作手的位姿控制，大大降低了系統(tǒng)的體制和質(zhì)量，降低了成本。圖7為Micro5月球漫步車(chē)的微操作手示意圖。圖7 Micro 5微操作手示意圖3) 歐洲法國(guó)Cedrat Technology公司生產(chǎn)的直線(xiàn)型超聲波電動(dòng)機(jī)已被應(yīng)用于在法國(guó)的人造衛(wèi)星Helos上，使用交流電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，分辨率為l m，而直流電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，分辨率小于1 nm。1.4.3 制約超聲電機(jī)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用范圍的因

20、素盡管超聲電機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)的電磁電機(jī)在航空航天領(lǐng)域有很大的優(yōu)勢(shì)，但其應(yīng)用范圍還非常有限。制約因素主要由以下幾點(diǎn)：（1）使用效率問(wèn)題目前國(guó)際上超聲電機(jī)的效率最高的也僅有10%40%之間，國(guó)內(nèi)的超聲電機(jī)效率一般只有3%15%左右，輸出功率不大，一般只有10W左右。如何提高電機(jī)的效率和輸出功率是制約超聲電機(jī)應(yīng)用范圍的一個(gè)很重要的因素。（2）磨損和使用壽命問(wèn)題減小磨損是超聲波電動(dòng)機(jī)走向?qū)嵱帽仨毥鉀Q的問(wèn)題。由于目前非接觸型超聲波電動(dòng)機(jī)輸出力矩偏小，接觸型超聲波電動(dòng)機(jī)仍是研制的主流。接觸型超聲波電動(dòng)機(jī)靠定子和轉(zhuǎn)子間摩擦傳遞功率，磨損大小與很多因素有關(guān)：如與電動(dòng)機(jī)類(lèi)型有關(guān)，行波型比駐波型的磨損要??；與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

21、有關(guān)，以圓環(huán)狀行波型超聲波電動(dòng)機(jī)為例，節(jié)徑增加，沿圓周的支點(diǎn)增多，磨損減?。徽駝?dòng)產(chǎn)生的雜波越少，運(yùn)行越平穩(wěn)，磨損越少；與預(yù)緊力和運(yùn)行速度有關(guān)；與定轉(zhuǎn)子表面構(gòu)成的摩擦副匹配和表面狀態(tài)(如粗糙度)有關(guān)；與加工狀態(tài)也有關(guān)系，如小型電動(dòng)機(jī)軸與定子、轉(zhuǎn)子之間的連接和支撐狀況等。(3)電機(jī)性能的穩(wěn)定性分析由于超聲波電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅不產(chǎn)生電磁干擾，還能實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的定位控制，它的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越引起業(yè)內(nèi)興趣和重視。但超聲波電動(dòng)機(jī)的可靠性和對(duì)各種環(huán)境的適應(yīng)性有待研究。尤其是高溫、低溫和真空環(huán)境下其性能的穩(wěn)定性。超聲波電動(dòng)機(jī)作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的致動(dòng)器，其動(dòng)態(tài)特性也有待深入研究。2. 壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器舉例 一種壓

22、電疊堆泵 2.1 壓電疊堆原理壓電疊堆通常被用作驅(qū)動(dòng)元件，利用其逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，如圖為壓電疊堆構(gòu)造圖。由于單層壓電陶瓷片的變形量和輸出力比較小，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際工作需求，在實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得較大的變形量和輸出力，開(kāi)發(fā)人員把多層壓電陶瓷片膠結(jié)為整體，通過(guò)內(nèi)部嵌入電極構(gòu)成壓電疊堆。壓電疊堆由多片壓電陶瓷組成，在機(jī)械上串聯(lián)，在電路上并聯(lián)，即每片陶瓷上的電壓相同，如圖2.2所示。由于極化方向是沿積層式微位移器的軸線(xiàn)方向，因此微位移器的位移相當(dāng)于所有陶瓷片位移量的總和。陶瓷片間為絕緣玻璃，外部電極為銀鋰合金，內(nèi)部無(wú)膠粘附件，是通過(guò)固態(tài)燒結(jié)工藝制作而成內(nèi)部電極間距大約為100m，使得較低的電壓

23、就可以獲得一定的驅(qū)動(dòng)效果。 2.2 壓電疊堆特性壓電疊堆具有輸入電壓低、變形大、輸出力大、響應(yīng)快、位移可重復(fù)性好、體積效率高以及電場(chǎng)控制相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，工作時(shí)對(duì)其施加直流或交流電壓信號(hào)，壓電疊堆產(chǎn)生靜位移或交變幅值輸出?？蓮V泛應(yīng)用于磁頭的跟蹤調(diào)節(jié)、光頭的聚焦機(jī)構(gòu)、打印機(jī)的線(xiàn)驅(qū)動(dòng)、繼電器的觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)、液壓閥的驅(qū)動(dòng)、精密進(jìn)給機(jī)構(gòu)、高精度精密直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器、測(cè)長(zhǎng)機(jī)構(gòu)、壓力傳感器、加速度傳感器等，已成為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的最常見(jiàn)的動(dòng)力元件之一。常見(jiàn)的壓電疊堆特性如下：（1）遲滯現(xiàn)象壓電陶瓷的升壓和降壓曲線(xiàn)之間存在位移差。壓電疊堆采用電壓控制方式時(shí)，在信號(hào)頻率很低的情況下，機(jī)械位移與電場(chǎng)之間會(huì)出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象。蠕變特

24、性蠕變是隨電壓變化產(chǎn)生的一種特性。它是由于在恒定電場(chǎng)作用時(shí)晶體電疇緩慢排列所表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象。壓電疊堆施加電壓的階躍變化會(huì)在ms以下產(chǎn)生變化，之后更長(zhǎng)時(shí)間是小變化。蠕變總是同電壓階躍引起的變化方向相一致研究蠕變特性主要研究壓電陶瓷在外電場(chǎng)作用下時(shí)間和位移的關(guān)系。（2）出力特性壓電疊堆的出力特性是指在某一電壓下器件的伸長(zhǎng)量（不包括器件因受力而產(chǎn)生的壓縮量）與壓力的關(guān)系。由于壓電元件輸出力與截面積成正比，不同的截面積的壓電疊堆對(duì)應(yīng)不同的輸出力。（3）剛度特性剛度是指器件本身抵抗外力而產(chǎn)生變形的能力。壓電疊堆剛度特性研究的是壓電疊堆的壓縮量與壓力的關(guān)系。由于外界壓力對(duì)其的作用使其產(chǎn)生一個(gè)非線(xiàn)性的響應(yīng)，

25、一種具有遲滯的響應(yīng)，而該響應(yīng)曲線(xiàn)在很大程度上受到電極的狀態(tài)的影響。 2.3 一種新型壓電疊堆直線(xiàn)電機(jī)壓電直線(xiàn)電機(jī)不需要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)而直接輸出力和結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)，也因此引起了國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者的興趣。傳統(tǒng)型壓電直線(xiàn)電機(jī)是利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)在彈性體（定子）內(nèi)產(chǎn)生共振，再利用摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化為動(dòng)子的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。這種基于共振狀態(tài)的壓電電機(jī)不可避免的兩大缺點(diǎn)：（1）共振狀態(tài)是不穩(wěn)定狀態(tài)，定子的固有頻率會(huì)隨溫度等的變化而改變，驅(qū)動(dòng)頻率的微小變化都會(huì)使電機(jī)的速度產(chǎn)生較大變化，這極大地影響了電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性;（2）壓電陶瓷的布置方式和激勵(lì)方式、定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等必須合理，因而對(duì)定子的結(jié)構(gòu)

26、設(shè)計(jì)和加工精度要求較嚴(yán)格。與傳統(tǒng)的共振式壓電電機(jī)相比，這種新型壓電疊堆直線(xiàn)電機(jī)在非共振狀態(tài)下共振，受溫度等周?chē)h(huán)境的影響較?。浑姍C(jī)性能對(duì)電機(jī)定子的尺寸精度和加工精度的敏感性較低，易于加工；且電機(jī)能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)工作，大大提高了電機(jī)的工作平穩(wěn)性。 2.3.1 電機(jī)的摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)理利用非共振狀態(tài)下兩個(gè)壓電疊堆的輸出位移的輸出力驅(qū)動(dòng)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.1所示。其中，輸出端、彈性梁和固定端構(gòu)成了三明治式的輸出結(jié)構(gòu)。剛性輸出端保證壓電疊堆位移輸出和力輸出在輸出端的不變性。彈性梁為壓電疊堆提供了預(yù)緊力，同時(shí)保證了輸出端的輸出位移。柔性鉸鏈保證了輸出端在x方向的輸出位移。當(dāng)作用圖8所示的力F

27、時(shí)，再分別用兩項(xiàng)位移pi/2的正弦電壓激勵(lì)，則輸出端處能夠產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，此時(shí)驅(qū)動(dòng)足可推動(dòng)動(dòng)子左右移動(dòng)。圖8 電機(jī)的摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)理2.3.2 電機(jī)的振動(dòng)模型電機(jī)的定子可以看作兩部分質(zhì)量通過(guò)彈性梁連接，因而電機(jī)定子簡(jiǎn)化為兩自由度系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)足部分質(zhì)量為m1，彈性梁的剛度k1，彈性梁以下的支撐部分質(zhì)量為m2，電機(jī)定子的夾持部分簡(jiǎn)化為彈簧，剛度為k2.電機(jī)的振動(dòng)模型如圖9所示。圖9 電機(jī)的振動(dòng)模型根據(jù)圖3.2 建立電機(jī)的振動(dòng)微分方程如下：其中根據(jù)完全脫離的定義和電機(jī)的振動(dòng)模型知，定子與動(dòng)子實(shí)現(xiàn)脫離的充要條件是：振幅A1大于定子和動(dòng)子的接觸應(yīng)變之和。定子和和動(dòng)子的接觸應(yīng)變主要與電機(jī)的預(yù)壓力有關(guān)，預(yù)壓力越

28、大，接觸應(yīng)變?cè)酱螅ㄗ雍秃蛣?dòng)子的脫離越困難，因此應(yīng)提供適當(dāng)?shù)念A(yù)壓力保證脫離。A1越大，定子和和動(dòng)子的脫離越容易實(shí)現(xiàn)。 在電機(jī)結(jié)構(gòu)一定、激勵(lì)頻率一定的情況下，振幅A1與疊堆輸出力成正比。根據(jù)壓電理論和疊堆的性能可知，疊堆的輸出力越大，則疊堆的輸出振幅也越大。因此疊堆的輸出振幅應(yīng)足夠大才能定子和動(dòng)子的有效脫離。 2.3.3 電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）電機(jī)定子結(jié)構(gòu)圖10 電機(jī)定子結(jié)構(gòu)（2）電機(jī)的樣機(jī)設(shè)計(jì)制作了電機(jī)樣機(jī)一臺(tái)，如圖11，電機(jī)定子由雙層板簧固定在基座上。圖11 樣機(jī)實(shí)物圖 2.3.4 實(shí)驗(yàn)圖12表示樣機(jī)空載速度隨頻率變化曲線(xiàn)。電機(jī)峰峰值保持在100V，在1.6Hz2.0Hz之間電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，從圖

29、中可以看出電機(jī)在非共振狀態(tài)下具有很寬的頻帶。在頻率低于1.6Hz時(shí)電機(jī)運(yùn)行很不平穩(wěn)，電機(jī)在1kHz以下時(shí)，電機(jī)幾乎不能運(yùn)行，這驗(yàn)證了電機(jī)的正常運(yùn)行需要高于某一臨界頻率。根據(jù)壓電理論知，壓電疊堆的輸出振幅隨壓電的增加而增加，因此通過(guò)研究壓電不同下電機(jī)的輸出性能來(lái)研究壓電疊堆的輸出振幅對(duì)定、動(dòng)子完全脫離的影響。在1.6kHz，預(yù)壓力為45N時(shí)，改變激勵(lì)電壓測(cè)得了電機(jī)的空載速度與電壓的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖13所示。 圖12 電機(jī)速度與頻率之間的關(guān)系 圖13 電機(jī)速度與電壓之間的關(guān)系在激勵(lì)電壓60V100V范圍內(nèi)，電機(jī)運(yùn)行較穩(wěn)定正常。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓低于40V時(shí)，電機(jī)幾乎不能正常運(yùn)行。因此當(dāng)壓電疊堆的振幅

30、低于某一數(shù)值時(shí)，電機(jī)不能正常運(yùn)行。這主要由于電壓很低的時(shí)候，壓電疊堆的振幅太小，不能滿(mǎn)足定、動(dòng)子脫離的條件。3. 壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)器實(shí)例 一種旋轉(zhuǎn)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器 3.1 壓電雙晶片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1.1 雙晶片的結(jié)構(gòu)雙晶片選用壓電系數(shù)較大的PZT5 陶瓷片粘接而成，基本結(jié)構(gòu)，如圖14所示。圖14 雙晶片結(jié)構(gòu)示意圖兩個(gè)壓電陶瓷片表面均鍍有一層銀電極，壓電陶瓷片之間使用彈性較好的鈹青銅片作為引出電極，以施加電場(chǎng)。陶瓷片與鈹青銅之間使用能夠傳遞結(jié)構(gòu)力的環(huán)氧樹(shù)脂膠粘接。 3.1.2 雙晶片的工作原理雙晶片采用并聯(lián)形式施加電壓，壓電陶瓷片1、2 極化方向相同，電壓方向相反，在逆壓電效應(yīng)作用下，兩個(gè)壓電陶瓷

31、片一個(gè)伸長(zhǎng)，一個(gè)縮短，共同耦合使得雙晶片彎曲變形。固定一端，其自由端扭轉(zhuǎn)變形位移輸出，如圖4.2所示。圖15 雙晶片變形輸出示意圖 3.2 壓電驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理壓電驅(qū)動(dòng)器由機(jī)體、定子、雙晶片、離合器、轉(zhuǎn)子和輸出軸等主要部件及聯(lián)接裝置組成，其結(jié)構(gòu)示意圖，如圖16所示。壓電雙晶片一端成120°均勻固定在定子上，另一端聯(lián)接在轉(zhuǎn)子上，施加電壓，轉(zhuǎn)子通過(guò)離合器將雙晶片的扭轉(zhuǎn)變形轉(zhuǎn)化為輸出軸的單向旋轉(zhuǎn)。具體運(yùn)動(dòng)過(guò)程為：施加電壓時(shí)，雙晶片扭轉(zhuǎn)變形帶動(dòng)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)離合器，轉(zhuǎn)子、離合器與輸出軸之間鎖緊，帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度；減小電壓時(shí)，雙晶片扭轉(zhuǎn)變形減小，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)離合器逆向旋轉(zhuǎn)，與輸出

32、軸脫離；輸出軸由于慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，在一個(gè)加電周期內(nèi)就會(huì)保持單向轉(zhuǎn)動(dòng)。持續(xù)施加交變電壓，輸出軸即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。離合器驅(qū)動(dòng)可以避免摩擦驅(qū)動(dòng)造成的能量損失，壓電雙晶片產(chǎn)生的正向能量可以全部傳遞給轉(zhuǎn)子輸出，與直接摩擦驅(qū)動(dòng)型壓電驅(qū)動(dòng)器相比，效率更高。圖16 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖 3.3 壓電驅(qū)動(dòng)器的性能研究壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器以雙晶片為原動(dòng)件，驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)速與雙晶片單位時(shí)間內(nèi)的變形有關(guān)，即與電壓u 和頻率f 有關(guān)。 3.3.1 轉(zhuǎn)速與電壓的關(guān)系壓電雙晶片在極化方向上的位移 與輸入電壓U 的關(guān)系為：=d33U 式中：d33壓電系數(shù)，其驅(qū)動(dòng)輸出軸扭轉(zhuǎn)角度 還受到雙晶片長(zhǎng)度、厚度及驅(qū)動(dòng)半徑等因素的影響。選定雙晶片形位尺寸

33、后，驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)際控制輸出軸的扭轉(zhuǎn)角，即驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)速，電壓與驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速呈線(xiàn)性關(guān)系。圖17 轉(zhuǎn)速和電壓的關(guān)系試驗(yàn)中選用壓電陶瓷PZT5，壓電系數(shù)d33=480pc/N，驅(qū)動(dòng)半徑R=10mm，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速與電壓的關(guān)系曲線(xiàn)圖，如圖17所示。實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速與電壓基本成線(xiàn)性關(guān)系，轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定。 3.3.2 轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系電壓恒定時(shí)，雙晶片壓電效應(yīng)引起扭轉(zhuǎn)變形量基本不變，雙晶片一次加電周期帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)過(guò)角度為，電源驅(qū)動(dòng)頻率為f，則驅(qū)動(dòng)器的理論轉(zhuǎn)速n：n=60f/2=30f/ 驅(qū)動(dòng)器的理論轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)頻率呈線(xiàn)性關(guān)系，其在220V 電壓下轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系，如圖18所示。圖18 轉(zhuǎn)速和頻率的關(guān)系由圖4.5可知，驅(qū)動(dòng)器實(shí)際轉(zhuǎn)

34、速和頻率基本呈線(xiàn)性關(guān)系，略小于理論轉(zhuǎn)速，實(shí)際測(cè)試與理論計(jì)算結(jié)果基本一致，符合預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。計(jì)算可知，在驅(qū)動(dòng)電壓400 V、頻率200 Hz 時(shí)，驅(qū)動(dòng)器可達(dá)最大轉(zhuǎn)速為93.76r/min。由于驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)電壓和頻率基本呈線(xiàn)性關(guān)系，因此可通過(guò)電壓和頻率的調(diào)節(jié)來(lái)控制轉(zhuǎn)速。4. 壓電雙晶片型慣性沖擊式旋轉(zhuǎn)精密驅(qū)動(dòng)器近些年來(lái)，在光電產(chǎn)品裝配、精密器件微制造和表面原子級(jí)測(cè)量等領(lǐng)域，以壓電元件為核心的高精度定位驅(qū)動(dòng)器得到廣泛應(yīng)用。其中，利用壓電元件動(dòng)態(tài)特性的慣性沖擊式驅(qū)動(dòng)器在精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展為一項(xiàng)獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)型式。目前國(guó)內(nèi)外研制的慣性沖擊式驅(qū)動(dòng)器普遍采用壓電疊堆為驅(qū)動(dòng)元件。壓電疊堆變形量較小，抗拉力弱

35、，結(jié)構(gòu)限制不能連接質(zhì)量較大的慣性塊，驅(qū)動(dòng)能力受到限制，且壓電疊堆成本較高。這里介紹了一種以壓電雙晶片為驅(qū)動(dòng)單元，以特定方式驅(qū)動(dòng)的新型慣性沖擊式旋轉(zhuǎn)精密驅(qū)動(dòng)器。由于壓電雙晶片變形量較大且能雙向變形，連接較大沖擊質(zhì)量簡(jiǎn)便可靠，成本低于壓電疊堆，因此新型驅(qū)動(dòng)器與傳統(tǒng)慣性沖擊式驅(qū)動(dòng)器相比，成本降低了近100倍，驅(qū)動(dòng)能力提高了2倍，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、行程大、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，為克服慣性沖擊式驅(qū)動(dòng)器的原有缺點(diǎn)提供了新的方法，可以應(yīng)用于精密裝配、微操作、光學(xué)工程、精密定位等領(lǐng)域。4.1 驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和工作原理壓電雙晶片型慣性沖擊式旋轉(zhuǎn)精密驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖19所示。該結(jié)構(gòu)由壓電雙晶片、沖擊質(zhì)量塊、柔性鉸鏈、彈

36、簧、軸和基座等組成。壓電雙晶片和沖擊質(zhì)量塊構(gòu)成驅(qū)動(dòng)單元。壓電雙晶片的一端與軸固連，另一端自由，形成了懸臂梁式的結(jié)構(gòu)，在其自由端固連一質(zhì)量塊。圖19 驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)，在電信號(hào)作用下壓電雙晶片會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。懸臂梁式結(jié)構(gòu)壓電雙晶片的自由端變形量為：式中，V為電信號(hào)電壓， F為作用在壓電雙晶片自由端的集中力，、e為與壓電雙晶片壓電常數(shù)d31、壓電雙晶片長(zhǎng)度L、厚度h等結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的系數(shù)，對(duì)于特定壓電雙晶片為常數(shù)。壓電雙晶片自由端變形帶動(dòng)其自由端的質(zhì)量為m的沖擊塊一同運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生慣性力F：慣性力F方向與軸5的軸線(xiàn)交錯(cuò)垂直，形成沿軸線(xiàn)方向的慣性力矩Tt，力臂為沖擊質(zhì)量塊至軸5軸

37、線(xiàn)的距離:將式(2)代入式(1)并整理得：對(duì)應(yīng)不同的電信號(hào)，求解方程(4)，即可解得與V(t)的關(guān)系式，再代入(4)式可得慣性力矩與電信號(hào)關(guān)系式。如果對(duì)壓電雙晶片施加合適的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)，便可以利用質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力矩推動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，輸出轉(zhuǎn)角。當(dāng)壓電雙晶片帶動(dòng)端部的質(zhì)量塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，也產(chǎn)生相對(duì)于固定端的離心力Fr：為抵消離心力的影響，并且使軸上質(zhì)量分布均衡，采用了2個(gè)質(zhì)量塊參數(shù)、基板參數(shù)和壓電晶片參數(shù)相同但極化方向相反的壓電雙晶片振子，通過(guò)對(duì)稱(chēng)布置的方式構(gòu)造驅(qū)動(dòng)單元。柔性鉸鏈3、彈簧4、軸5和基座7等構(gòu)成了支撐單元。軸通過(guò)滑動(dòng)軸承支撐在基座上。調(diào)整彈簧的壓緊可以調(diào)節(jié)軸與軸承之間的摩擦力矩值。4.2 驅(qū)

38、動(dòng)器性能試驗(yàn)制作了壓電雙晶片型慣性沖擊式旋轉(zhuǎn)精密驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)，對(duì)不同驅(qū)動(dòng)條件下驅(qū)動(dòng)器的性能進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)與壓電雙晶片振子動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)相同。圖20 驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)示意圖采用定頻調(diào)壓的驅(qū)動(dòng)方式，對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了 基 本 性 能 實(shí) 驗(yàn)，選 擇 激 勵(lì) 電 信 號(hào)RAMP頻率為13Hz，分別測(cè)試了驅(qū)動(dòng)器的行程、旋轉(zhuǎn)單步最小步長(zhǎng)、旋轉(zhuǎn)速度及承載能力等。表1為驅(qū)動(dòng)器采用定頻調(diào)壓方式時(shí)的旋轉(zhuǎn)輸出情況。表1 驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果4.3驅(qū)動(dòng)器試驗(yàn)結(jié)果分析（1）研制了以壓電雙晶片為驅(qū)動(dòng)單元的慣性沖擊式旋轉(zhuǎn)精密驅(qū)動(dòng)器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)；（2）不同激勵(lì)電信號(hào)頻率下，壓電雙晶片型慣性沖擊式旋轉(zhuǎn)精

39、密驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力不同。應(yīng)采用特定激勵(lì)電信號(hào)頻率調(diào)節(jié)激勵(lì)電信號(hào)電壓幅值，即定頻調(diào)壓的驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)步長(zhǎng)和速度的控制；（3）壓電雙晶片型慣性沖擊式旋轉(zhuǎn)精密驅(qū)動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)行程可以達(dá)到180度，旋轉(zhuǎn)步長(zhǎng)分辨力為1rad，最大轉(zhuǎn)動(dòng)速度為0.2rad/min，最大扭矩為0.02Nm。5. 壓電自適應(yīng)桁架結(jié)構(gòu)智能振動(dòng)控制目前國(guó)內(nèi)外對(duì)壓電材料的諸多研究已取得了豐碩成果,但大多集中在板、梁、殼等方面,對(duì)桁架類(lèi)結(jié)構(gòu)研究不足,對(duì)以主動(dòng)構(gòu)件形式進(jìn)行震動(dòng)主動(dòng)抑制的研究相當(dāng)缺乏。這里介紹了一種壓電主動(dòng)構(gòu)件,具有傳感和作動(dòng)的雙重功能, 可以替代傳統(tǒng)桁架結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵桿件,達(dá)到精密定位和振動(dòng)控制的目的?？紤]到桁架結(jié)構(gòu)的

40、柔性化和環(huán)境復(fù)雜性,傳統(tǒng)控制方法存在建模困難、適應(yīng)面少等問(wèn)題,采用了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制方法。5.1 壓電主動(dòng)桿件的設(shè)計(jì)壓電陶瓷材料因具有逆壓電效應(yīng),即通電后會(huì)發(fā)生形變產(chǎn)生位移,而被廣泛用作作動(dòng)器。假設(shè)壓電片沿厚度t變形均勻,當(dāng)僅在壓電陶瓷片的極化方向作用電壓V 、外力F時(shí),壓電陶瓷片的軸向變形量3為：式中為恒定電場(chǎng)情況下的彈性柔度陣,A為橫截面積,d33為壓電應(yīng)變系數(shù)。為了獲取更大的輸出位移,通常采用將n片厚度為t壓電陶瓷片按極性相對(duì),力學(xué)上串聯(lián)、電學(xué)上并聯(lián)的形式粘合而成壓電疊層的形式,也稱(chēng)為壓電堆,其軸向輸出位移因此選用較薄的壓電片,較多的壓電片數(shù),以及較大的壓電片面積,有利于減小驅(qū)動(dòng)電

41、壓,提高壓電堆作動(dòng)器位移輸出量和改善力學(xué)特性。由于壓電堆作動(dòng)器在工作時(shí)只能承受壓力,在壓電主動(dòng)構(gòu)桿結(jié)構(gòu)內(nèi)部添加了預(yù)壓裝置通過(guò)疊簧施加預(yù)壓力,通過(guò)調(diào)力螺母可以調(diào)整預(yù)壓力的大小。通過(guò)在構(gòu)件兩端添加鋼球,以保證壓電堆作動(dòng)器避免受到扭矩作用。壓電主動(dòng)構(gòu)件結(jié)構(gòu)如圖21所示壓電堆作動(dòng)器的輸出性能直接影響到壓電主動(dòng)構(gòu)桿的控制應(yīng)用。圖21 壓電主動(dòng)桿結(jié)構(gòu)圖5.2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器由式(2)可以看出,在壓電堆結(jié)構(gòu)一定的情況下,其輸出位移只取決于外部驅(qū)動(dòng)電壓。因此振動(dòng)控制模型的任務(wù)即為實(shí)現(xiàn)外界擾動(dòng)與驅(qū)動(dòng)電壓的映射關(guān)系。為了構(gòu)建壓電桁架結(jié)構(gòu)的自學(xué)習(xí)主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng),文中提出了一個(gè)5層結(jié)構(gòu)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FNN)控

42、制模型,如圖18所示。圖22 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器第1層為輸入層,輸入節(jié)點(diǎn)代表振動(dòng)過(guò)程中傳感器檢測(cè)到的位移誤差及加速度信號(hào)。第2層為模糊層,由隸屬函數(shù)節(jié)點(diǎn)組成,表示輸入節(jié)點(diǎn)的模糊集,完成從精確值到模糊值的映射。第3層為規(guī)則層,代表模糊規(guī)則,所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)成模糊規(guī)則基。第4層為模糊輸出層,節(jié)點(diǎn)表示輸出變量離散域內(nèi)的模糊值。模糊層和模糊輸出層中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以構(gòu)成一個(gè)單獨(dú)的隸屬函數(shù)運(yùn)算器。第3,4層間的連線(xiàn)起到連接機(jī)制的模糊推理作用,第3層規(guī)則層連線(xiàn)規(guī)定規(guī)則節(jié)點(diǎn)的前提條件,第4層模糊輸出層節(jié)點(diǎn)規(guī)定規(guī)則節(jié)點(diǎn)的結(jié)論。第5層為精確輸出層,執(zhí)行解模糊過(guò)程,可得精確輸出, 即壓電堆作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓。5.2.1 神

43、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層間計(jì)算用表示第k層的第i個(gè)輸入,表示第k層第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的凈輸入,表示第k層的第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出,即網(wǎng)絡(luò)模型中每層節(jié)點(diǎn)的函數(shù)功能如下：式中: 為第1層的第i個(gè)輸入, i = 1、2. 該層只有兩個(gè)輸入節(jié)點(diǎn), 即振動(dòng)位移及振動(dòng)加速度。第2層為模糊層, 也可稱(chēng)為隸屬函數(shù)層, 單個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的隸屬函數(shù), 采用高斯形函數(shù):式中: mij和分別是第i個(gè)輸入變量的第j個(gè)模糊集合隸屬函數(shù)的中心值和寬度值.第3層為規(guī)則層,用來(lái)執(zhí)行模糊邏輯規(guī)則前提條件的匹配,規(guī)則節(jié)點(diǎn)具有“與”運(yùn)算功能:式中即第j條規(guī)則的激活度。第4層模糊輸出層的節(jié)點(diǎn)與第2層模糊層的節(jié)點(diǎn)作用相同,得到模糊輸出的隸屬度。第5層為精確輸出層

44、, 實(shí)現(xiàn)對(duì)模糊輸出的重心法解模糊化:式中即網(wǎng)絡(luò)最后的輸出,第5層的連接權(quán)該層只有一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn), 即壓電堆作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓。5.2.2 模糊規(guī)則的定義網(wǎng)絡(luò)的輸入將被模糊化為7級(jí),即負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大, 依次表示為NB,NM, NS, ZE, PS, PM, PB。根據(jù)測(cè)量數(shù)值,可以對(duì)其進(jìn)行量化。同樣,輸出項(xiàng)也分為7級(jí)。隸屬函數(shù)采用高斯型函數(shù)。根據(jù)模糊推理規(guī)則可以得到如表2所示的模糊規(guī)則。表2 模糊控制規(guī)則6 智能結(jié)構(gòu)和器件的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)智能結(jié)構(gòu)的研究難度較大,目前經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)性研究與探索,已在基本原理、傳感器研制、作動(dòng)器研制、功能器件與復(fù)合材料之間匹配技術(shù)、智能材料成型工藝技術(shù)

45、、智能材料在特殊環(huán)境下的性能評(píng)價(jià)、主動(dòng)控制智能器件等方面開(kāi)展了許多工作,取得了較大的突破。并且,已經(jīng)從基礎(chǔ)性研究進(jìn)入到預(yù)研和應(yīng)用性研究階段。但是,智能結(jié)構(gòu)離實(shí)用化還有一定距離,這有賴(lài)于對(duì)其相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究。智能結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)包括智能傳感技術(shù)、智能驅(qū)動(dòng)技術(shù)、智能控制技術(shù)、智能信息處理和傳輸技術(shù)。目前研究和采用的主要傳感元件有:光導(dǎo)纖維、壓電元件、電阻應(yīng)變?cè)?、疲勞壽命絲、半導(dǎo)體元件等。主要驅(qū)動(dòng)元件有:壓電元件、形狀記憶合金、電致/ 磁致伸縮材料、電/ 磁流變體、壓電復(fù)合材料、聚合物膠體等。目前，世界上許多國(guó)家都已開(kāi)展對(duì)智能材料的研究，其發(fā)展將全面提高材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用水平。智能材料涉及的領(lǐng)

46、域非常廣泛，它是一種軍民兩用技術(shù)，不但在宇航及國(guó)防工業(yè)，而且在民用方面，如土木建筑、交通、水利、醫(yī)學(xué)、海洋捕魚(yú)等行業(yè)也有著極為廣泛的應(yīng)用前景。智能材料的應(yīng)用還能節(jié)省資源、減少污染等，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是巨大的。其主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：（1）用于土木建筑及混凝土方面智能結(jié)構(gòu)在土木建筑及混凝土方面具有很好的應(yīng)用前景，目前主要集中在高層建筑、橋梁、水壩等方面。大型混凝土結(jié)構(gòu)的安全性診斷， 是國(guó)內(nèi)外智能材料系統(tǒng)研究的重點(diǎn)之一。（3）用于機(jī)器人形狀記憶合金(SMA)能夠感知溫度或位移的變化，可將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。如果控制加熱或冷卻，可獲得重復(fù)性很好的驅(qū)動(dòng)動(dòng)作。用SMA 制作的熱機(jī)械動(dòng)作元件具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，

47、如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧、成本低廉、控制方便等。近年來(lái)，隨著形狀記憶合金逐漸進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用階段，SMA在機(jī)器人中的應(yīng)用（如在元件控制、觸覺(jué)傳感器、機(jī)器人手足和筋骨動(dòng)作部分的應(yīng)用）十分引人注目。（4）金屬材料自愈合中科院沈陽(yáng)金屬所的研究發(fā)現(xiàn)，用強(qiáng)脈沖的方法，對(duì)金屬材料進(jìn)行斷續(xù)通電處理， 能愈合材料內(nèi)部的一些裂紋和缺陷， 使金屬達(dá)到自愈合的效果。西北工業(yè)大學(xué)的研究表明，將內(nèi)部充填有粘稠物質(zhì)的空心管狀物埋入無(wú)機(jī)材料中，能使無(wú)機(jī)材料達(dá)到裂紋自愈合的效果。（5）控制振動(dòng)和噪聲智能材料系統(tǒng)最成熟的應(yīng)用之一是主動(dòng)結(jié)構(gòu)聲控。例如，飛機(jī)殼體的振動(dòng)來(lái)自飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。具體控制方法是由機(jī)敏材料(形狀記憶合金纖維、壓電陶瓷等)做成誘發(fā)應(yīng)變調(diào)節(jié)器(Induced strain actuators)，把它分布在振動(dòng)結(jié)構(gòu)中。它以低頻作用一個(gè)力在結(jié)構(gòu)上,抵消那些能夠