智能结构器件

1、北京航空航天大学 智能结构器件及其应用智能结构、器件及其应用院(系)名称：机械工程及自动化学院学生 姓名：学 号：班 级：2013年1月11日目 录1. 超声波电动机在航空航天领域的应用11.1超声波电动机的简介11.2 超声波电动机的基本结构和工作原理11.3 超声波电动机的研究现状31.3.1 国外超声波电动机的研究现状31.3.2 国内超声波电动机的研究现状41.4 超声波电动机在航空航天领域中的应用51.4.1 超声波电动机适用于航空航天领域的原因51.4.2 超声波电动机在航空航天领域应用的典型实例61.4.3 制约超声电机在航空航天领域应用范围的因素82. 压电叠堆驱动器举例 一种

2、压电叠堆泵92.1 压电叠堆原理92.2 压电叠堆特性92.3 一种新型压电叠堆直线电机102.3.1 电机的摩擦驱动机理11图8 电机的摩擦驱动机理112.3.2 电机的振动模型11图9 电机的振动模型122.3.3 电机的结构设计13图10 电机定子结构13图11 样机实物图132.3.4 实验13图12 电机速度与频率之间的关系14图13 电机速度与电压之间的关系143. 压电双晶片驱动器实例 一种旋转压电陶瓷驱动器143.1 压电双晶片的结构设计143.1.1 双晶片的结构14图14 双晶片结构示意图143.1.2 双晶片的工作原理15图15 双晶片变形输出示意图153.2 压电驱动器

3、的结构设计和工作原理15图16 驱动器结构示意图163.3 压电驱动器的性能研究163.3.1 转速与电压的关系16图17 转速和电压的关系163.3.2 转速与频率的关系16图18 转速和频率的关系174. 压电双晶片型惯性冲击式旋转精密驱动器174.1 驱动器的结构和工作原理17图19 驱动器的结构示意图184.2 驱动器性能试验19图20 驱动器样机示意图194.3驱动器试验结果分析195. 压电自适应桁架结构智能振动控制205.1 压电主动杆件的设计20图21 压电主动杆结构图215.2 模糊神经网络控制器21图22 模糊神经网络控制器215.2.1 神经网络层间计算215.2.2 模

4、糊规则的定义226 智能结构和器件的应用及发展趋势237. 参考文献24 261. 超声波电动机在航空航天领域的应用1.1超声波电动机的简介超声电机（Ultrasonic Motor 或简写为USM）技术是振动学、波动学、摩擦学、动态设计、电力电子、自动控制、新材料和新工艺等学科结合的新技术。与传统的电机利用电磁的交叉力来获得其运动和力矩不同，超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得其运动和力矩的，将材料的微观变形通过机械共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动1。在这种新型电机中，压电陶瓷材料盘代替了许许多多的铜线圈。是 20世纪末发展起来的一种新的微型驱动电机，它没有绕组和磁路，

5、不以电磁相互作用来传递能量，而是基于压电材料的逆压电效应（即电致伸缩效应），而是利用超声波振动来实现机电能量转换。 由于这种新型电机的工作频率一般在20kHz以上，所以称为超声波电机。超声波电机打破了传统电机必须由电磁效应产生转矩和转速的固有概念，与电磁式电机相比，超声波电机具有以下特点：(1) 体积小，重量轻。 (2) 低速大转矩。(3) 响应迅速，控制特性好。 (4) 有断电自锁功能。 (5) 与外界无相互电磁干扰。 (6) 结构形式多样化。超声电机与传统电机相比，具有结构简单、小型轻量、响应速度快，噪声低、低速大转矩、控制特点好、断电自锁、不受磁场干扰，运动准确等优点，另外还具有耐低温、

6、真空等适应太空环境的特点。首先由于质量轻，低速且大转矩从而不需要附加齿轮等变速结构，避免了使用齿轮变速而产生的震动、冲击与噪声、低效率、难控制等一系列问题；其次它突破了传统电机的概念，没有电磁绕组和磁路，不用电磁相互作用来转换能力，而是利用压电陶瓷的逆压电效应、超声振动和摩擦耦合来转换能量。从而实现了安静、污染小；定位精度高；不受电磁干扰等优点。可以说超声电机技术处于世界上最新高科技之一。1.2 超声波电动机的基本结构和工作原理超声波电动机的分类还没有统一的标准，按照驱动转子运动的机理可分为驻波型和行波型两种。驻波型是利用与压电材料相连的弹性体内激发的驻波来推动转子运动，属间断驱动方式；行波型

7、则是在弹性体内产生单向的行波，利用行波表面质点的振动轨迹来传递能量，属连续驱动方式。目前，环形行波型超声波电动机的基础理论和应用技术均较为成熟。环形行波型超声波电动机的基本结构如图1所示，主要包括定子、转子、压力弹簧和转轴等部件。目前应用和研究最多的是环形超声波电动机，环形超声波电动机的基本工作原理如下：当粘连金属弹性体上的两片压电陶瓷上施加相位差90度的高频电压时时，在弹性体内产生两组驻波，这两组驻波合成一个沿弹性体圆周方向行进的驻波，使得定子表面的质点形成一定运动轨迹（通常为椭圆运动轨迹）的超声波微观振动，如图2（a）所示。这种微观振动通过定子和转子之间的摩擦力使转子沿某一方向连续运动，如

8、图2（b）所示。一般而言，超声波电动机的工作特性与电磁式直流伺服电动机类似， 电动机的转速随着转矩的增大而下降，并且呈现一定的非线性。而超声波电动机的效率则与电磁式电机不同， 最大效率出现在低速、大转矩区域，如图3所示。因此， 超声波电动机非常适合低速运行。总体而言，超声波电动机的效率较低，这是它的一个缺点。目前，环形行波型超声波电动机的效率一般不超过50%。图2 环形行波形超声波电动机示意图1.3 超声波电动机的研究现状1.3.1 国外超声波电动机的研究现状超声波电动机最早是在20世纪60年代由前苏联科学家V.V lavrinenko设计出来了世界上第一台压电旋转电机。此后关于超声电机的研究

9、越来越多。最早将超声电机产业化的是日本的T.Sashida教授。他在1980年提出并成功制造出一种驻波型超声电机。同时日本也是当前研究超声电机发展水平最高的国家，几乎拥有大部分的专利。他们不仅在新型电机以及新型驱动机理的的研究上建树颇深，而且对于超声电机效率的提高，预压力对表面质点椭圆轨迹的影响等深层次的研究也取得了很大的成绩。它掌握着世界上大多数超声波电机技术的发明专利。在日本，几乎各知名大学和许多公司都对超声电机进行了研究和生产。环状行波型和棒状行波型电机已大批量生产，最近一种驻波型电机也已投入批量生产，主要用于工作时间短、精度高及某种特定功能的机器或领域中。日本公司将超声波电机应用于自动

10、门、风扇、微动台、控制台、家电产品中，进一步开辟并扩大其应用市场2。近年来，除了日本之外，美国、德国、法国、瑞士、韩国、土耳其和新加坡等都有超声波电机产品进入市场，在这些国家中，以美国发展得最快，应用的领域也最广3经过十年的发展，美国许多单位都在进行超声波电机的研究，如麻省理工学院(MIT)、美国航空航天局(NASA)、喷射推进实验室(JPL) ,Stanford, Berkeley, Wisconsin, Penn. State和 DARPA(Defense Advanced Research ProjectAgency)等4。美国某些公司生产的超声波电机产品已经在航空航天、半导体工业、ME

11、MS、和Bio MEMS等领域先后得到了应用。美国为了发展空间的反导弹、反卫星及情报侦察系统，近几年将要发射100个以上的纳米卫星(质量7-8kg)。这种纳米卫星的核心技术之一是微机械和微传感系统，包括微传感/遥感器、微陀螺和微驱动器。为此，美国正加速发展微型超声电机(直径仅1-2mm）。图1为美国宾州(Penn. State)大学研发的微型超声波电机最新成果3，该电机直径为1.8mm，长度为4mm 。图4 美国宾州大学微型超声波电机1.3.2 国内超声波电动机的研究现状我国超声波电机研究的起步和美、德、法、韩国等国差不多。自“首次全国超声电机技术研讨会”后，超声波电机更受到各方面的关注，特别

12、是得到国家自然科学基金会和863高技术专家组的大力支持和资助5。我国的超声波电机技术得到较快的发展，先后有清华大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、长春光机所、哈尔滨工程大学水声研究所、吉林工业大学、南京航空航天人学、北京科技大学、天津大学、上海冶金研究所、华中科技大学、东南大学、信息产业部电子第21研究所等十几所单位开展了对超声波电机的研究。其内容涉及超声波电机运动机理、谐振频率计算、驱动电路设计、控制方法以及样机的研制和试验，基本型式几乎涵盖目前所出现的所有超声波电机类型。在超声波电机的研究领域里，比较著名的学者有赵淳生教授，胡敏强教授，陈维山教授，郭吉丰教授 ，陈永校教授。南京航空航天大学在赵

13、淳生教授的带领下研制了多种不同型号的超声波电机。清华大学物理系已研制成直径l0mm, 5mm, 3 mm, 1.5mm, lmm的多种微型超声波电机，空载转速数百转到上千转，且转速可调，力矩从几微牛米到几百微牛米，可为医用超声内窥镜的超声探头提供驱动源，进而为形成一体化结构打下了良好应用基础6,7,8。但是国内各单位对超声波电机的研究只限于实验室9至今还没有达到实用阶段。1.4 超声波电动机在航空航天领域中的应用1.4.1 超声波电动机适用于航空航天领域的原因(1)低速大转矩，能量密度大。为了防止和减少机械在真空和失重情况下产生的反向冲击，航天器需要在低速下工作。传统的电磁电机要实现低速工作，

14、需要减速机构，增大了系统的体积、质量以及复杂性，相应地增加了成本。超声波电动机的能量密度是电磁电机的3 -5 倍，低速下可产生较大的转矩，不需要齿轮减速机构，因而体积小，重量轻，控制精度高，响应速度快，从而降低了系统的质量、体积及复杂性，增加了可靠性。(2) 速度响应快，控制精度高。由于超声披电动机是在高频域振动，能量衰减极快，因此有极高的动态响应特性，故易于实现高精度的位置伺服控制，可以实现纳米级定位控制。(3) 停电后具有摩擦自锁功能。超声波电动机独特的驱动原理，定转子依靠摩擦驱动，因此可以实现断电自锁，不需要专门的制动装置，大大降低了系统的体制和质量。(4) 适于在高温环境下工作。超声波

15、电动机除了压电材料、摩擦材料和少量的绝缘材料外，其余都是金属材料。因此超声波电动机能否在太空环境下工作，关键在于压电陶嚣的性能。据报道，美国已经研制出可以承受到500高温的压电陶瓷，我国生产的压电陶辑的居里温度为320 ，远远高于当前正在进行的火星探测和月球探测的对象火星和月球表面的最高温度，这说明压电电动机可以在行星表面的高温环境工作。哈尔提工业大学研制的超声被电动机在75 的温度下工作，不过电动机的负载特性有了较大的降低，因此还需要进一步的理论和实验研究工作山。而电磁式电机有大量的线圈及绝缘塑料，较高的幅度会加速塑料的老化，限制了电磁电机的应用。(5 )适于在低泪下工作。美国Y. Bar

16、- Cohen研究的旋转型行波超声波电动机可以在- 150 的低温和2. 1 Pa 真空度环境下工作334 h ，且在933Pa 的真空下工作230 个090温度循环，其研制的超声波电动机的性能没有发生变化。在此低温和真空下，电磁式电机的润滑油不能够正常工作，因此限制了电磁式电机的应用。但超声波电动机则不需要润滑油。(6) 抗磁干扰能力强。由于超声搜电动机无铁心和线圈，不产生磁场，也不受外界磁场干扰，因此抗电磁干扰性强，即电磁兼容性好。由于超声波电动机具有以上优点，因此，超声波电动机技术得到了迅速发展，并在航空航天、机器人、微型机械等领域得到成功的应用。1.4.2 超声波电动机在航空航天领域应

17、用的典型实例近几年来，己有许多国家纷纷将超声波电动机应用于航天航空领域，其中较为典型的有美国的JPLMIT、NASA 的空间研究中心,日本的NASDA和宇宙研究所等。1)美国利用超声波电动机低速大力矩和高精度等特点，美国NASA将超声电机应于空间机器人技术。在火星探测器的轻量机械臂上的微型机械手使用了一个扭矩为0.05 N m 的超声电机，火星机械手在Microarm上使用了三个扭短为0.68 N m 和一个扭矩为0.11 N m的超声电机。因此Microarm结构虽与Microarm I相似，但重量减轻了40。图5为火星车外观结构。图5 火星车1998年JPL专门与加利福尼亚理工学院设立了一

18、个博士后点来进行此项研究。1998年12月的MARS 98就采用了超声电机作为其操纵器10，如图5所示。图5 USM用于着陆器的微控制器此外美国NASA 的火星探测者计划中，美国喷气推进实验室(JPL) 和麻省理工学院( MIT) 联合研制了一种双面齿结构超声电机10，应用于火星探测器操作臂关节驱动的微着陆器。与传统的超声电动机相比，在相同尺寸及材料的情况下，双面齿超声波电动机的输出力矩、力矩密度及功率都接近其两倍 。该电机的扭矩达1. 7 N m ，使用最低温度达- 100"C ，比用传统的电机减轻质量30% 。图6a 为火星做着陆器，图6b 为双面齿超声波电动机。图6 超声电机用

19、于火星探测微着陆器2)日本日本的micro5月球漫游车的微操作手具有5个自由度，由于每个关节都需要长时间的保持一种位姿，因此需要制动装置。但由于每个关节使用了一个超声波电动机驱动，不需要消耗额外的电源和CPU资源就可以实现操作手的位姿控制，大大降低了系统的体制和质量，降低了成本。图7为Micro5月球漫步车的微操作手示意图。图7 Micro 5微操作手示意图3) 欧洲法国Cedrat Technology公司生产的直线型超声波电动机已被应用于在法国的人造卫星Helos上，使用交流电压驱动时，分辨率为l m，而直流电压驱动时，分辨率小于1 nm。1.4.3 制约超声电机在航空航天领域应用范围的因

20、素尽管超声电机相对于传统的电磁电机在航空航天领域有很大的优势，但其应用范围还非常有限。制约因素主要由以下几点：（1）使用效率问题目前国际上超声电机的效率最高的也仅有10%40%之间，国内的超声电机效率一般只有3%15%左右，输出功率不大，一般只有10W左右。如何提高电机的效率和输出功率是制约超声电机应用范围的一个很重要的因素。（2）磨损和使用寿命问题减小磨损是超声波电动机走向实用必须解决的问题。由于目前非接触型超声波电动机输出力矩偏小，接触型超声波电动机仍是研制的主流。接触型超声波电动机靠定子和转子间摩擦传递功率，磨损大小与很多因素有关：如与电动机类型有关，行波型比驻波型的磨损要小；与结构设计

21、有关，以圆环状行波型超声波电动机为例，节径增加，沿圆周的支点增多，磨损减小；振动产生的杂波越少，运行越平稳，磨损越少；与预紧力和运行速度有关；与定转子表面构成的摩擦副匹配和表面状态(如粗糙度)有关；与加工状态也有关系，如小型电动机轴与定子、转子之间的连接和支撑状况等。(3)电机性能的稳定性分析由于超声波电动机结构简单，不仅不产生电磁干扰，还能实现快速准确的定位控制，它的特点和优点越来越引起业内兴趣和重视。但超声波电动机的可靠性和对各种环境的适应性有待研究。尤其是高温、低温和真空环境下其性能的稳定性。超声波电动机作为自动控制系统的致动器，其动态特性也有待深入研究。2. 压电叠堆驱动器举例 一种压

22、电叠堆泵 2.1 压电叠堆原理压电叠堆通常被用作驱动元件，利用其逆压电效应将电能转化为机械能，如图为压电叠堆构造图。由于单层压电陶瓷片的变形量和输出力比较小，无法满足实际工作需求，在实际应用中，为了获得较大的变形量和输出力，开发人员把多层压电陶瓷片胶结为整体，通过内部嵌入电极构成压电叠堆。压电叠堆由多片压电陶瓷组成，在机械上串联，在电路上并联，即每片陶瓷上的电压相同，如图2.2所示。由于极化方向是沿积层式微位移器的轴线方向，因此微位移器的位移相当于所有陶瓷片位移量的总和。陶瓷片间为绝缘玻璃，外部电极为银锂合金，内部无胶粘附件，是通过固态烧结工艺制作而成内部电极间距大约为100m，使得较低的电压

23、就可以获得一定的驱动效果。 2.2 压电叠堆特性压电叠堆具有输入电压低、变形大、输出力大、响应快、位移可重复性好、体积效率高以及电场控制相对简单等优点，工作时对其施加直流或交流电压信号，压电叠堆产生静位移或交变幅值输出。可广泛应用于磁头的跟踪调节、光头的聚焦机构、打印机的线驱动、继电器的触点驱动、液压阀的驱动、精密进给机构、高精度精密直线驱动器、测长机构、压力传感器、加速度传感器等，已成为压电陶瓷驱动器的最常见的动力元件之一。常见的压电叠堆特性如下：（1）迟滞现象压电陶瓷的升压和降压曲线之间存在位移差。压电叠堆采用电压控制方式时，在信号频率很低的情况下，机械位移与电场之间会出现迟滞现象。蠕变特

24、性蠕变是随电压变化产生的一种特性。它是由于在恒定电场作用时晶体电畴缓慢排列所表现出来的现象。压电叠堆施加电压的阶跃变化会在ms以下产生变化，之后更长时间是小变化。蠕变总是同电压阶跃引起的变化方向相一致研究蠕变特性主要研究压电陶瓷在外电场作用下时间和位移的关系。（2）出力特性压电叠堆的出力特性是指在某一电压下器件的伸长量（不包括器件因受力而产生的压缩量）与压力的关系。由于压电元件输出力与截面积成正比，不同的截面积的压电叠堆对应不同的输出力。（3）刚度特性刚度是指器件本身抵抗外力而产生变形的能力。压电叠堆刚度特性研究的是压电叠堆的压缩量与压力的关系。由于外界压力对其的作用使其产生一个非线性的响应，

25、一种具有迟滞的响应，而该响应曲线在很大程度上受到电极的状态的影响。 2.3 一种新型压电叠堆直线电机压电直线电机不需要传动机构而直接输出力和结构，具有结构简单、设计灵活、易于小型化等优点，也因此引起了国内外诸多学者的兴趣。传统型压电直线电机是利用压电元件的逆压电效应在弹性体（定子）内产生共振，再利用摩擦驱动转化为动子的直线运动。这种基于共振状态的压电电机不可避免的两大缺点：（1）共振状态是不稳定状态，定子的固有频率会随温度等的变化而改变，驱动频率的微小变化都会使电机的速度产生较大变化，这极大地影响了电机的运行稳定性;（2）压电陶瓷的布置方式和激励方式、定子的结构设计等必须合理，因而对定子的结构

26、设计和加工精度要求较严格。与传统的共振式压电电机相比，这种新型压电叠堆直线电机在非共振状态下共振，受温度等周围环境的影响较小；电机性能对电机定子的尺寸精度和加工精度的敏感性较低，易于加工；且电机能够在较宽的频率范围内工作，大大提高了电机的工作平稳性。 2.3.1 电机的摩擦驱动机理利用非共振状态下两个压电叠堆的输出位移的输出力驱动直线运动机构，结构示意图如图3.1所示。其中，输出端、弹性梁和固定端构成了三明治式的输出结构。刚性输出端保证压电叠堆位移输出和力输出在输出端的不变性。弹性梁为压电叠堆提供了预紧力，同时保证了输出端的输出位移。柔性铰链保证了输出端在x方向的输出位移。当作用图8所示的力F

27、时，再分别用两项位移pi/2的正弦电压激励，则输出端处能够产生椭圆运动轨迹，此时驱动足可推动动子左右移动。图8 电机的摩擦驱动机理2.3.2 电机的振动模型电机的定子可以看作两部分质量通过弹性梁连接，因而电机定子简化为两自由度系统，驱动足部分质量为m1，弹性梁的刚度k1，弹性梁以下的支撑部分质量为m2，电机定子的夹持部分简化为弹簧，刚度为k2.电机的振动模型如图9所示。图9 电机的振动模型根据图3.2 建立电机的振动微分方程如下：其中根据完全脱离的定义和电机的振动模型知，定子与动子实现脱离的充要条件是：振幅A1大于定子和动子的接触应变之和。定子和和动子的接触应变主要与电机的预压力有关，预压力越

28、大，接触应变越大，定子和和动子的脱离越困难，因此应提供适当的预压力保证脱离。A1越大，定子和和动子的脱离越容易实现。 在电机结构一定、激励频率一定的情况下，振幅A1与叠堆输出力成正比。根据压电理论和叠堆的性能可知，叠堆的输出力越大，则叠堆的输出振幅也越大。因此叠堆的输出振幅应足够大才能定子和动子的有效脱离。 2.3.3 电机的结构设计（1）电机定子结构图10 电机定子结构（2）电机的样机设计制作了电机样机一台，如图11，电机定子由双层板簧固定在基座上。图11 样机实物图 2.3.4 实验图12表示样机空载速度随频率变化曲线。电机峰峰值保持在100V，在1.6Hz2.0Hz之间电机运行平稳，从图

29、中可以看出电机在非共振状态下具有很宽的频带。在频率低于1.6Hz时电机运行很不平稳，电机在1kHz以下时，电机几乎不能运行，这验证了电机的正常运行需要高于某一临界频率。根据压电理论知，压电叠堆的输出振幅随压电的增加而增加，因此通过研究压电不同下电机的输出性能来研究压电叠堆的输出振幅对定、动子完全脱离的影响。在1.6kHz，预压力为45N时，改变激励电压测得了电机的空载速度与电压的关系曲线，如图13所示。 图12 电机速度与频率之间的关系 图13 电机速度与电压之间的关系在激励电压60V100V范围内，电机运行较稳定正常。试验中发现，当电压低于40V时，电机几乎不能正常运行。因此当压电叠堆的振幅

30、低于某一数值时，电机不能正常运行。这主要由于电压很低的时候，压电叠堆的振幅太小，不能满足定、动子脱离的条件。3. 压电双晶片驱动器实例 一种旋转压电陶瓷驱动器 3.1 压电双晶片的结构设计 3.1.1 双晶片的结构双晶片选用压电系数较大的PZT5 陶瓷片粘接而成，基本结构，如图14所示。图14 双晶片结构示意图两个压电陶瓷片表面均镀有一层银电极，压电陶瓷片之间使用弹性较好的铍青铜片作为引出电极，以施加电场。陶瓷片与铍青铜之间使用能够传递结构力的环氧树脂胶粘接。 3.1.2 双晶片的工作原理双晶片采用并联形式施加电压，压电陶瓷片1、2 极化方向相同，电压方向相反，在逆压电效应作用下，两个压电陶瓷

31、片一个伸长，一个缩短，共同耦合使得双晶片弯曲变形。固定一端，其自由端扭转变形位移输出，如图4.2所示。图15 双晶片变形输出示意图 3.2 压电驱动器的结构设计和工作原理压电驱动器由机体、定子、双晶片、离合器、转子和输出轴等主要部件及联接装置组成，其结构示意图，如图16所示。压电双晶片一端成120°均匀固定在定子上，另一端联接在转子上，施加电压，转子通过离合器将双晶片的扭转变形转化为输出轴的单向旋转。具体运动过程为：施加电压时，双晶片扭转变形带动转子，转子带动离合器，转子、离合器与输出轴之间锁紧，带动输出轴转过一定的角度；减小电压时，双晶片扭转变形减小，转子带动离合器逆向旋转，与输出

32、轴脱离；输出轴由于惯性继续转动，在一个加电周期内就会保持单向转动。持续施加交变电压，输出轴即可实现连续旋转。离合器驱动可以避免摩擦驱动造成的能量损失，压电双晶片产生的正向能量可以全部传递给转子输出，与直接摩擦驱动型压电驱动器相比，效率更高。图16 驱动器结构示意图 3.3 压电驱动器的性能研究压电旋转驱动器以双晶片为原动件，驱动器的转速与双晶片单位时间内的变形有关，即与电压u 和频率f 有关。 3.3.1 转速与电压的关系压电双晶片在极化方向上的位移 与输入电压U 的关系为：=d33U 式中：d33压电系数，其驱动输出轴扭转角度 还受到双晶片长度、厚度及驱动半径等因素的影响。选定双晶片形位尺寸

33、后，驱动电压实际控制输出轴的扭转角，即驱动器的转速，电压与驱动器转速呈线性关系。图17 转速和电压的关系试验中选用压电陶瓷PZT5，压电系数d33=480pc/N，驱动半径R=10mm，实测转速与电压的关系曲线图，如图17所示。实测转速与电压基本成线性关系，转速比较稳定。 3.3.2 转速与频率的关系电压恒定时，双晶片压电效应引起扭转变形量基本不变，双晶片一次加电周期带动输出轴转过角度为，电源驱动频率为f，则驱动器的理论转速n：n=60f/2=30f/ 驱动器的理论转速与驱动频率呈线性关系，其在220V 电压下转速与频率的关系，如图18所示。图18 转速和频率的关系由图4.5可知，驱动器实际转

34、速和频率基本呈线性关系，略小于理论转速，实际测试与理论计算结果基本一致，符合预期设计目标。计算可知，在驱动电压400 V、频率200 Hz 时，驱动器可达最大转速为93.76r/min。由于驱动器转速与驱动电压和频率基本呈线性关系，因此可通过电压和频率的调节来控制转速。4. 压电双晶片型惯性冲击式旋转精密驱动器近些年来，在光电产品装配、精密器件微制造和表面原子级测量等领域，以压电元件为核心的高精度定位驱动器得到广泛应用。其中，利用压电元件动态特性的惯性冲击式驱动器在精密驱动领域已经发展为一项独特的驱动型式。目前国内外研制的惯性冲击式驱动器普遍采用压电叠堆为驱动元件。压电叠堆变形量较小，抗拉力弱

35、，结构限制不能连接质量较大的惯性块，驱动能力受到限制，且压电叠堆成本较高。这里介绍了一种以压电双晶片为驱动单元，以特定方式驱动的新型惯性冲击式旋转精密驱动器。由于压电双晶片变形量较大且能双向变形，连接较大冲击质量简便可靠，成本低于压电叠堆，因此新型驱动器与传统惯性冲击式驱动器相比，成本降低了近100倍，驱动能力提高了2倍，并具有结构简单、行程大、高分辨率等优点，为克服惯性冲击式驱动器的原有缺点提供了新的方法，可以应用于精密装配、微操作、光学工程、精密定位等领域。4.1 驱动器的结构和工作原理压电双晶片型惯性冲击式旋转精密驱动器的结构简图如图19所示。该结构由压电双晶片、冲击质量块、柔性铰链、弹

36、簧、轴和基座等组成。压电双晶片和冲击质量块构成驱动单元。压电双晶片的一端与轴固连，另一端自由，形成了悬臂梁式的结构，在其自由端固连一质量块。图19 驱动器的结构示意图利用压电晶体的逆压电效应，在电信号作用下压电双晶片会产生弯曲变形。悬臂梁式结构压电双晶片的自由端变形量为：式中，V为电信号电压， F为作用在压电双晶片自由端的集中力，、e为与压电双晶片压电常数d31、压电双晶片长度L、厚度h等结构参数有关的系数，对于特定压电双晶片为常数。压电双晶片自由端变形带动其自由端的质量为m的冲击块一同运动，产生惯性力F：惯性力F方向与轴5的轴线交错垂直，形成沿轴线方向的惯性力矩Tt，力臂为冲击质量块至轴5轴

37、线的距离:将式(2)代入式(1)并整理得：对应不同的电信号，求解方程(4)，即可解得与V(t)的关系式，再代入(4)式可得惯性力矩与电信号关系式。如果对压电双晶片施加合适的驱动电信号，便可以利用质量块产生的惯性力矩推动轴旋转，输出转角。当压电双晶片带动端部的质量块往复运动时，也产生相对于固定端的离心力Fr：为抵消离心力的影响，并且使轴上质量分布均衡，采用了2个质量块参数、基板参数和压电晶片参数相同但极化方向相反的压电双晶片振子，通过对称布置的方式构造驱动单元。柔性铰链3、弹簧4、轴5和基座7等构成了支撑单元。轴通过滑动轴承支撑在基座上。调整弹簧的压紧可以调节轴与轴承之间的摩擦力矩值。4.2 驱

38、动器性能试验制作了压电双晶片型惯性冲击式旋转精密驱动器样机，对不同驱动条件下驱动器的性能进行了试验测试。测试系统与压电双晶片振子动态响应测试系统相同。图20 驱动器样机示意图采用定频调压的驱动方式，对驱动器进行了 基 本 性 能 实 验，选 择 激 励 电 信 号RAMP频率为13Hz，分别测试了驱动器的行程、旋转单步最小步长、旋转速度及承载能力等。表1为驱动器采用定频调压方式时的旋转输出情况。表1 驱动器样机的性能测试结果4.3驱动器试验结果分析（1）研制了以压电双晶片为驱动单元的惯性冲击式旋转精密驱动器，结构简单，成本低，驱动能力强；（2）不同激励电信号频率下，压电双晶片型惯性冲击式旋转精

39、密驱动器的驱动能力不同。应采用特定激励电信号频率调节激励电信号电压幅值，即定频调压的驱动方式实现驱动器转动步长和速度的控制；（3）压电双晶片型惯性冲击式旋转精密驱动器的旋转行程可以达到180度，旋转步长分辨力为1rad，最大转动速度为0.2rad/min，最大扭矩为0.02Nm。5. 压电自适应桁架结构智能振动控制目前国内外对压电材料的诸多研究已取得了丰硕成果,但大多集中在板、梁、壳等方面,对桁架类结构研究不足,对以主动构件形式进行震动主动抑制的研究相当缺乏。这里介绍了一种压电主动构件,具有传感和作动的双重功能, 可以替代传统桁架结构中的关键杆件,达到精密定位和振动控制的目的。考虑到桁架结构的

40、柔性化和环境复杂性,传统控制方法存在建模困难、适应面少等问题,采用了模糊神经网络的智能控制方法。5.1 压电主动杆件的设计压电陶瓷材料因具有逆压电效应,即通电后会发生形变产生位移,而被广泛用作作动器。假设压电片沿厚度t变形均匀,当仅在压电陶瓷片的极化方向作用电压V 、外力F时,压电陶瓷片的轴向变形量3为：式中为恒定电场情况下的弹性柔度阵,A为横截面积,d33为压电应变系数。为了获取更大的输出位移,通常采用将n片厚度为t压电陶瓷片按极性相对,力学上串联、电学上并联的形式粘合而成压电叠层的形式,也称为压电堆,其轴向输出位移因此选用较薄的压电片,较多的压电片数,以及较大的压电片面积,有利于减小驱动电

41、压,提高压电堆作动器位移输出量和改善力学特性。由于压电堆作动器在工作时只能承受压力,在压电主动构杆结构内部添加了预压装置通过叠簧施加预压力,通过调力螺母可以调整预压力的大小。通过在构件两端添加钢球,以保证压电堆作动器避免受到扭矩作用。压电主动构件结构如图21所示压电堆作动器的输出性能直接影响到压电主动构杆的控制应用。图21 压电主动杆结构图5.2 模糊神经网络控制器由式(2)可以看出,在压电堆结构一定的情况下,其输出位移只取决于外部驱动电压。因此振动控制模型的任务即为实现外界扰动与驱动电压的映射关系。为了构建压电桁架结构的自学习主动振动控制系统,文中提出了一个5层结构的模糊神经网络(FNN)控

42、制模型,如图18所示。图22 模糊神经网络控制器第1层为输入层,输入节点代表振动过程中传感器检测到的位移误差及加速度信号。第2层为模糊层,由隶属函数节点组成,表示输入节点的模糊集,完成从精确值到模糊值的映射。第3层为规则层,代表模糊规则,所有节点构成模糊规则基。第4层为模糊输出层,节点表示输出变量离散域内的模糊值。模糊层和模糊输出层中的每个节点都可以构成一个单独的隶属函数运算器。第3,4层间的连线起到连接机制的模糊推理作用,第3层规则层连线规定规则节点的前提条件,第4层模糊输出层节点规定规则节点的结论。第5层为精确输出层,执行解模糊过程,可得精确输出, 即压电堆作动器的驱动电压。5.2.1 神

43、经网络层间计算用表示第k层的第i个输入,表示第k层第j个节点的净输入,表示第k层的第j个节点的输出,即网络模型中每层节点的函数功能如下：式中: 为第1层的第i个输入, i = 1、2. 该层只有两个输入节点, 即振动位移及振动加速度。第2层为模糊层, 也可称为隶属函数层, 单个节点构成一个简单的隶属函数, 采用高斯形函数:式中: mij和分别是第i个输入变量的第j个模糊集合隶属函数的中心值和宽度值.第3层为规则层,用来执行模糊逻辑规则前提条件的匹配,规则节点具有“与”运算功能:式中即第j条规则的激活度。第4层模糊输出层的节点与第2层模糊层的节点作用相同,得到模糊输出的隶属度。第5层为精确输出层

44、, 实现对模糊输出的重心法解模糊化:式中即网络最后的输出,第5层的连接权该层只有一个输出节点, 即压电堆作动器的驱动电压。5.2.2 模糊规则的定义网络的输入将被模糊化为7级,即负大、负中、负小、零、正小、正中、正大, 依次表示为NB,NM, NS, ZE, PS, PM, PB。根据测量数值,可以对其进行量化。同样,输出项也分为7级。隶属函数采用高斯型函数。根据模糊推理规则可以得到如表2所示的模糊规则。表2 模糊控制规则6 智能结构和器件的应用及发展趋势智能结构的研究难度较大,目前经过基础性研究与探索,已在基本原理、传感器研制、作动器研制、功能器件与复合材料之间匹配技术、智能材料成型工艺技术

45、、智能材料在特殊环境下的性能评价、主动控制智能器件等方面开展了许多工作,取得了较大的突破。并且,已经从基础性研究进入到预研和应用性研究阶段。但是,智能结构离实用化还有一定距离,这有赖于对其相关关键技术进行深入研究。智能结构的关键技术包括智能传感技术、智能驱动技术、智能控制技术、智能信息处理和传输技术。目前研究和采用的主要传感元件有:光导纤维、压电元件、电阻应变元件、疲劳寿命丝、半导体元件等。主要驱动元件有:压电元件、形状记忆合金、电致/ 磁致伸缩材料、电/ 磁流变体、压电复合材料、聚合物胶体等。目前，世界上许多国家都已开展对智能材料的研究，其发展将全面提高材料的设计和应用水平。智能材料涉及的领

46、域非常广泛，它是一种军民两用技术，不但在宇航及国防工业，而且在民用方面，如土木建筑、交通、水利、医学、海洋捕鱼等行业也有着极为广泛的应用前景。智能材料的应用还能节省资源、减少污染等，其经济效益和社会效益是巨大的。其主要应用领域如下：（1）用于土木建筑及混凝土方面智能结构在土木建筑及混凝土方面具有很好的应用前景，目前主要集中在高层建筑、桥梁、水坝等方面。大型混凝土结构的安全性诊断， 是国内外智能材料系统研究的重点之一。（3）用于机器人形状记忆合金(SMA)能够感知温度或位移的变化，可将热能转换为机械能。如果控制加热或冷却，可获得重复性很好的驱动动作。用SMA 制作的热机械动作元件具有独特的优点，

47、如结构简单、体积小巧、成本低廉、控制方便等。近年来，随着形状记忆合金逐渐进入工业化生产应用阶段，SMA在机器人中的应用（如在元件控制、触觉传感器、机器人手足和筋骨动作部分的应用）十分引人注目。（4）金属材料自愈合中科院沈阳金属所的研究发现，用强脉冲的方法，对金属材料进行断续通电处理， 能愈合材料内部的一些裂纹和缺陷， 使金属达到自愈合的效果。西北工业大学的研究表明，将内部充填有粘稠物质的空心管状物埋入无机材料中，能使无机材料达到裂纹自愈合的效果。（5）控制振动和噪声智能材料系统最成熟的应用之一是主动结构声控。例如，飞机壳体的振动来自飞机发动机。具体控制方法是由机敏材料(形状记忆合金纤维、压电陶瓷等)做成诱发应变调节器(Induced strain actuators)，把它分布在振动结构中。它以低频作用一个力在结构上,抵消那些能够