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1、,第1章 绪论 第2章 制造自动化技术 第3章 微细加工技术 第4章 快速原型技术 第5章 工业机器人 第6章 虚拟制造技术 第7章 纳米技术 第8章 压电驱动与控制技术 第9章 绿色制造技术,第8章 压电驱动与控制技术,中国农业大学,先进制造技术,第8章 压电驱动与控制技术,8.1 概 述,8.2 压电马达,8.3 压电泵,8.4 压电开关阀与压电伺服阀,8.5 压电型精密驱动装置,中国农业大学,8.1 概 述,8.1.1 压电驱动与控制技术的形成与发展,8.1.2 压电驱动器的基本原理与构成,8.1.3 压电驱动器的特点及其应用,中国农业大学,8.1.1 压电驱动与控制技术的形成与发展,压
2、电驱动器是对以压电材料为动力源的机械执行器、驱动器或控制器等一类器件的总称，也称之为压电执行器或压电控制器。压电驱动与控制技术是关于这类器件形成原理、方式与方法的一门技术。,压电驱动与控制技术是以压电学与超声学为重要基础发展起来的。其中压电学是关于压电体的弹性、压电性、介电性与光控性等物性的基本理论与应用的学科，早在40年代就已成为物理学的一个重要分支。,中国农业大学,压电马达是压电驱动器中开发最早、发展最快的一类驱动机构。早在1970年1972年，德国的西门子 (siemens)公司和日本的松下(Matsushita)公司即申报了超声马达的实用新型专利，1973年，IBM公司的H.V.Bar
3、th先生提出了另一种结构的超声马达，1982年，日本的指田年生成功地开发出了环形的行波型超声马达，实现了对转子的连续拨动，大大地降低了定子与转子之间的摩擦与磨损，改善了压电马达的性能,实现了真正意义上的实用马达。,中国农业大学,8.1.1 压电驱动与控制技术的形成与发展,8.1.2 压电驱动器的原理与构成,压电驱动器是依赖压电体的逆压电效应工作的，这是与传统电磁马达或电磁驱动器的本质区别。电磁驱动器是通过电磁力将电能转换为机械能，空间上定子绕组与从动件之间设置了间隙，压电驱动器则是利用压电体的逆压电效应产生变形(或振动)并将这种变形通过有摩擦或无摩擦的转换形成为从动件的机械能。其能量转换关系如
4、图8-1所示：,中国农业大学,中国农业大学,8.1.2 压电驱动器的原理与构成,压电体生成的变形(或振动)频率根据结构要求而不同，因而它需要专用的电学控制回路以提供相应频率的驱动电源或控制信号，其一般的系统构成如图8-2所示。,中国农业大学,8.1.2 压电驱动器的原理与构成,中国农业大学,8.1.2 压电驱动器的原理与构成,8.1.3 压电驱动器的特点及其应用,压电驱动器的优点,压电驱动器的缺点,压电驱动器的结构种类与应用范围,中国农业大学,压电驱动器的优点,压电驱动器单位重量可获得较大的输出功率。已有的数据表明，在小型领域内(100g以下)，压电驱动器的单位重量输出力或力矩比电磁驱动器高出
5、一个数量级；单位重量输出功率亦是电磁驱动器的几倍，而且越是小型，这种差距越明显。,中国农业大学,当压电驱动器依靠摩擦传递运动或动力时，一般启动灵活，停止迅速，定位不需要其它机构及能量，保持力矩恒定且较大。,压电驱动器中的接触摩擦型压电马达具有低速、大扭矩的优点。因此，对于低速传动，可不需要减速机构而直接驱动工作部件，整体结构较小。尤其适于小型机械驱动。,中国农业大学,压电驱动器的结构可以根据需要制成多种型式，比如可作成圆环形、棒形、圆柱形、长条形、跑道形、板形、中空形等。,压电驱动器的优点,压电驱动器的磁干扰极小，同时，外界的磁场对其作用亦很小，因此，对于要求磁干扰影响较小的工作场合，压电驱动
6、器有重要的应用价值。,中国农业大学,压电驱动器的优点,压电驱动器的缺点,作为机械振动的发生元件压电晶体难以做成太大的结构尺寸。,中国农业大学,压电体作为产生振动变形的振动激励体时，因为一般要在共振频率下工作，结构尺寸受到一定的限制。,压电驱动通常是靠摩擦传动，因此两摩擦副间的摩擦、磨损性能，影响工作可靠性及寿命。,压电驱动器元件的加工精度要求较高，尤其是微小件，加工工艺难度较大。,中国农业大学,通常压电驱动器的效率比电磁马达要低得多。,压电驱动器的缺点,压电驱动器的结构种类与应用范围,目前已开发出的压电驱动器的结构种类与应用范围大体可由如下树状图形（图8-3）给出：,中国农业大学,8.2 压电
7、马达,8.2.1 行波型压电马达,8.2.2 超声波驻波马达,8.2.3 非接触超声波马达,中国农业大学,8.2.1 行波型压电马达,圆环型超声波行波马达,直线型行波马达,中国农业大学,圆环型超声波行波马达,圆环型超声波行波马达是以圆环型定子为振子、以振子上产生的弯曲振动行波拨动转子旋转的圆形马达。,图8-4给出了由日本新生工业公司早期制作的这种马达的结构简图及压电振子的电极结构、极化方向等，振动的形态如图8-5所示。,中国农业大学,中国农业大学,圆环型超声波行波马达,直线型行波马达,直线型行波马达的基础是在直线定子(弹性直杆)上形成弯曲振动行波，由此在直杆表面生成质点的椭圆运动以拨动移动体移
8、动。在直杆上生成行波的方法与圆环振子有很大不同，目前主要采用以下两种方法：,中国农业大学,直线型行波马达,通过贴置压电陶瓷的方法实现，如图8-11所示。,中国农业大学,直线型行波马达,如图8-12所示的系统在有限长直杆上生成行波。,中国农业大学,8.2.2 超声波驻波马达,两种振动组合型超声波驻波马达,同一种位移两个方向振动的组合型压电马达,中国农业大学,间接激励的振动生成及其组合型压电马达,双弯曲压电振子型驻波马达,两种振动组合型超声波驻波马达,两种振动的组合是指利用扭转、伸长、弯曲等振动中的二种振动通过两个电信号的激励实现组合，由此形成椭圆运动并完成对从动件的拨动，这种马达的典型例子由图8
9、-20给出。,中国农业大学,图8-21给出了这种马达的工作特性。,两种振动组合型超声波驻波马达,中国农业大学,同一种位移两个方向振动的组合型压电马达,同种形式但不同方向的振动也可以形成椭圆运动，如图8-22所示。从动件由加压滚子压紧在振子上，振子由A、B两个迭片式振子(压电叠堆)与拨齿组成。当给A、B分别加入合适相位差的电压信号时，即可由A、B的伸缩振动合成拨齿接触摩擦点C处的椭圆运动，进而拨动从动件移动，其工作情况可由图8-23给出。,中国农业大学,同一种位移两个方向振动的组合型压电马达,中国农业大学,同一种位移两个方向振动的组合型压电马达,这种马达样机之一的性能示于图8-24中，可见其滑杠
10、(移动体)的速度较快，推算其驱动力大约为150gf200gf，但驱动力 的最大值不会超过摩擦力 (：摩擦系数)。,中国农业大学,当采用可控直流电源电压进行驱动时，这种移动马达也可作为直线精密定位载物台的驱动机构，图8-25是它的位移说明。,同一种位移两个方向振动的组合型压电马达,中国农业大学,间接激励的振动生成及其组合型压电马达,图8-26给出了门型压电振子结构及其有限元分析的变形情况。,中国农业大学,图8-26所示门型马达的激振频率为90kHz，加在两个层叠振子上的激振电压同频但相位差为90时，则门型振子驱动足(下部的摩擦工作面)各点的运动轨迹如图8-27所示，即较强的纵振动与弯曲振动相叠加
11、，形成了椭圆运动。,间接激励的振动生成及其组合型压电马达,中国农业大学,间接激励的振动生成及其组合型压电马达,这种马达的样机之一的激振电压与空载速度关系示于图8-28中。激振电压为10Vrms的负载特性示于图8-29中，可见马达的最大速度为20cm/s，最大推力为100gf，其中摩擦工作面的耐摩材料选用为聚酰亚胺系复合材料。,中国农业大学,间接激励的振动生成及其组合型压电马达,中国农业大学,双弯曲压电振子型驻波马达,双弯曲振子型的压电马达可通过一个位置一种信号的激励，实现振子上两个不同位置的弯曲振动，从而在接触摩擦点形成椭圆运动并造成对从动件的拨动，因而系统更为轻小简单、造价低。这种振子两个位
12、置的弯曲振动是分别由直接激励与间接激励获得的，所以结构上可以看做前述几种结构马达优点的结合。,中国农业大学,双弯曲压电振子型驻波马达,双弯曲驻波旋转型压电振子(定子)的结构如图8-30所示，在一个圆环(或圆盘)上设置n个(n3)凸起，底侧贴置有与圆环相同尺寸的压电陶瓷。,中国农业大学,由有限元分析获得的双弯曲压电振子的工作状态如图8-31所示。,双弯曲压电振子型驻波马达,中国农业大学,8.2.3 非接触超声波马达,现有的理论与试验已经证实超声波的幅射压具有一定的推动力，可由适当的机构转换形成对物体的驱动。所以超声波振动能量的转换可以采用接触与非接触两种方式来实现,从而构造出接触式或非接触式的超
13、声波马达。,中国农业大学,图8-36(a)和(b)分别为接触型行波超声驱动和非接触行波超声驱动的工作示意图。,8.2.3 非接触超声波马达,中国农业大学,8.2.3 非接触超声波马达,接触型行波压电马达采用两路相位差为90度的电信号激励振子形成行波。根据波动理论可知振子表面质点将形成椭圆运动，振子在接触点处通过摩擦推动转子转动；非接触型行波超声波马达的振子(定子)和转子之间有一定间隙，当振子产生行波时，转子沿着行波前进的方向转动。经比较分析它们的主要区别为：,中国农业大学,8.2.3 非接触超声波马达,接触型行波压电马达是通过振子和转子间的摩擦实现驱动的；非接触压电马达通常认为是由声流或声压驱
14、动的；,中国农业大学,接触型行波压电马达转子转动方向与振子中行波前进的方向相反；非接触行波压电马达转子转动方向与振子中行波前进的方向相同；,8.2.3 非接触超声波马达,接触型行波压电马达的工作寿命因振子和转子间的磨损而受到限制；非接触行波压电马达的振子和转子不接触，因而使用寿命长；,中国农业大学,接触型行波压电马达具有低速高转矩的特性；非接触行波压电马达具有高速的特性，但输出转矩较小；,接触型行波压电马达在不通电时，存在自锁现象；非接触行波压电马达不存在自锁现象。,8.2.3 非接触超声波马达,它们之间的性能比较如图8-37所示：,中国农业大学,8.3 压电泵,8.3.1 有阀压电泵,8.3
15、.2 无阀压电薄膜泵,8.3.3 压电超声泵,中国农业大学,8.3.4 多腔体有阀压电泵,8.3.1 有阀压电泵,薄片型压电振子式有阀压电泵,压电叠堆式有阀压电泵,中国农业大学,薄片型压电振子式有阀压电泵,薄片型压电振子式有阀压电泵的基本结构如图8-48所示。主要由泵体、薄片型压电振子和两个单向阀构成。压电振子往复弯曲变形振动引起泵腔体积和压力交替变化，吸程时，泵腔体积增大、压力减小，使进口阀打开、出口阀关闭，流体向腔内流动；反之，排程时，进口阀关闭，出口阀打开，流体从泵腔内排出。,中国农业大学,薄片型压电振子式有阀压电泵,中国农业大学,压电叠堆式有阀压电泵,压电叠堆振子垂直方向变形引起腔体体
16、积变化，吸程时腔体体积增加，迫使进口微型硅单向阀片向上弯曲，使进口打开，同时出口阀片向下弯曲，将出口关闭，液体向泵腔内流动；同理，排程时，进口被关闭，出口打开，流体从泵腔内排出。压电叠堆式有阀压电泵的特点是可以在高电压、高频率下工作。其结构如图8-49所示。,中国农业大学,压电叠堆式有阀压电泵,中国农业大学,8.3.2 无阀压电薄膜泵,锥型管无阀压电泵,异型管无阀压电泵,中国农业大学,温控无阀压电泵,锥型管无阀压电泵,如图8-51所示，当泵腔体积变化时，液体从进口和出口同时流入或排出，但由于阀的结构特殊，每一个循环进、出口吸入和排出的流量不同。腔体增大时，进口流体压力损失小于出口流体压力损失，从进口流入液体多；相反，泵腔体积减小时，出口排出的液体比入口排出的多。因此，当泵腔体积不停地交替变化时，就形成了流体的单向流动。,中国农业大学,锥型管无阀压电泵,中国农业大学,异型管无阀压电泵,图8-52是T45/4x2型异型管无阀压电泵结构图，图中黑色区域为阀和泵腔、中间白色部分是压电振子、灰色区域是导电环氧树脂、箭
