基于壓電纖維的微位移驅(qū)動器的研究.pdf

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1、試驗研究現(xiàn)代制造工程(M0d啪M蛐u丘屺t嘣ngEngineering)2016年第10期基于壓電纖維的微位移驅(qū)動器的研究+程學亮1，王樹林1，俞琳1，張禮華2(1江蘇大學機械工程學院，鎮(zhèn)江212013；2江蘇科技大學機械工程學院，鎮(zhèn)江212013)摘要：基于壓電纖維復合材料特性研究，設(shè)計了一種新型的壓電式微位移驅(qū)動器，它能夠?qū)崿F(xiàn)60斗m的行程和亞微米量級的定位精度。對驅(qū)動器的電壓一位移特性、分辨率以及遲滯和蠕變特性進行了實驗研究，研究表明，相比于傳統(tǒng)的壓電陶瓷式微位移驅(qū)動器，這種新型的壓電纖維微位移驅(qū)動器擁有更大的行程和更好的位移線性關(guān)系。本研究對壓電纖維復合材料在

2、微驅(qū)動方面的研究奠定了理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：壓電纖維復合材料；微位移驅(qū)動器；遲滯；蠕變中圖分類號：唧03．8文獻標志碼：A文章編號：1671—3133(2016)lO—0012—04DOI：10．16731／i．cnki．1671—3133．2016．10．003Characteristics刪ysisofpiezoelectriclIlicrO．a(chǎn)ctuatorChengXuelian91，WangShulinl，YuUnl，ZhangLihua2(1SchoolofMechanicalEn舀neering，JiangsuUniversity，Zhenjiang2120

3、13，Jiangsu，China；2SchoolofMechanicalEngineering，JiangsuUniversityofScienceand7rechnology，zhenjiang212013，Jiangsu，China)Abstmct：Basedonthepiezoelectric矗bercomposites，desi印edanewtypeofpiezoelectricmicr0-actuatorwhichh鵲60¨mdis-placementandthepositioningaccuracyofsubmicmnlevel．Analyzedthevo

4、ltage-displacementcharacteristic，resolution，hysteresisandcreepbyexperiments．Theresultsshowthatthenewty】peofmicro．a(chǎn)ctuatorh嬲abiggerdisplacementandbetterlinearity．Theresearchhasestablishedthetheoreticalfoundationfortllestudyofpiezoelectricfibercompositesinmicm噸ctuation．Keywords：出epiezoele

5、ctricfibercomposites；Ⅱlicm-actuator；hysteresis；creep微位移機構(gòu)是精密機械和精密儀器的關(guān)鍵部件之一，具有行程小、靈敏度和精度高的特點，廣泛應(yīng)用于機械加工與測量、生物醫(yī)學和航空航天等領(lǐng)域，并起著越來越重要的作用¨J。目前常見的微位移機構(gòu)主要有機械式、液壓式、直線電機式、電熱式、壓電式和電致伸縮式等，其中壓電式微位移機構(gòu)最為常見，應(yīng)用也最為廣泛心J。壓電式微位移機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、分辨率高、較高的動態(tài)特性和響應(yīng)頻率的特點。但因傳統(tǒng)壓電陶瓷式驅(qū)動器由多個單片壓電陶瓷片堆疊而成，這樣加劇了位移輸出特性的非線性、遲滯和蠕變，而

6、且對驅(qū)動器的制造提出了更高的要求。2003年美國航空航天局研究中心研制出一種新型的壓電材料——壓電纖維復合材料(MFC)，它是將壓電陶瓷纖維和高分子聚合物等材料通過復合工藝構(gòu)成一種新型功能材料，既保留了傳統(tǒng)壓電陶瓷的特性，又使其具有了組合材料不具有的特性，其中最大的特點就是降低了傳統(tǒng)材料的應(yīng)變常數(shù)以。值，相對提高了材料的應(yīng)變常數(shù)6f3，值∞圳。筆者基于壓電纖維復合材料，設(shè)計了一種新型的壓電式微位移驅(qū)動器，相比于傳統(tǒng)的壓電陶瓷式微位移驅(qū)動器，具有結(jié)構(gòu)簡單、線性度較好、輸出位移大和靈敏度高的特點。1壓電纖維復合材料及其驅(qū)動原理壓電纖維復合材料又稱宏纖維復合材料，由壓電陶瓷

7、和環(huán)氧樹脂聚合物等材料復合而成，根據(jù)兩相材料的連通方式可分為多種基本類型，其中1-3型壓電纖維復合材料是目前研究最多和應(yīng)用最廣泛的一種壓電纖維復合材料。與傳統(tǒng)的壓電陶瓷材料不同，它采用的是交叉指形電極，利用的是壓電陶瓷縱向壓電效應(yīng)和應(yīng)變常數(shù)d?即應(yīng)變方向與材料長度方向相+國家自然科學基金項目(51275217)；國家科技重大專項項目(2013zx04009031)12程學亮，等：基于壓電纖維的微位移驅(qū)動器的研究2016年第lo期同，這就極大地提高了材料的驅(qū)動性能，同時，具有各向異性和響應(yīng)更加靈敏的特點。圖1所示為1．3型交叉指形電圾壓電纖維復合材料的