基于压电纤维的微位移驱动器的研究.pdf

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1、试验研究现代制造工程(M0d啪M蛐u丘屺t嘣ngEngineering)2016年第10期基于压电纤维的微位移驱动器的研究+程学亮1，王树林1，俞琳1，张礼华2(1江苏大学机械工程学院，镇江212013；2江苏科技大学机械工程学院，镇江212013)摘要：基于压电纤维复合材料特性研究，设计了一种新型的压电式微位移驱动器，它能够实现60斗m的行程和亚微米量级的定位精度。对驱动器的电压一位移特性、分辨率以及迟滞和蠕变特性进行了实验研究，研究表明，相比于传统的压电陶瓷式微位移驱动器，这种新型的压电纤维微位移驱动器拥有更大的行程和更好的位移线性关系。本研究对压电纤维复合材料在

2、微驱动方面的研究奠定了理论基础。关键词：压电纤维复合材料；微位移驱动器；迟滞；蠕变中图分类号：唧03．8文献标志码：A文章编号：1671—3133(2016)lO—0012—04DOI：10．16731／i．cnki．1671—3133．2016．10．003Characteristics删ysisofpiezoelectriclIlicrO．actuatorChengXuelian91，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鹊60¨mdis-placementandthepositioningaccuracyofsubmicmnlevel．Analyzedthevo

4、ltage-displacementcharacteristic，resolution，hysteresisandcreepbyexperiments．Theresultsshowthatthenewty】peofmicro．actuatorh嬲abiggerdisplacementandbetterlinearity．Theresearchhasestablishedthetheoreticalfoundationfortllestudyofpiezoelectricfibercompositesinmicm吨ctuation．Keywords：出epiezoele

5、ctricfibercomposites；Ⅱlicm-actuator；hysteresis；creep微位移机构是精密机械和精密仪器的关键部件之一，具有行程小、灵敏度和精度高的特点，广泛应用于机械加工与测量、生物医学和航空航天等领域，并起着越来越重要的作用¨J。目前常见的微位移机构主要有机械式、液压式、直线电机式、电热式、压电式和电致伸缩式等，其中压电式微位移机构最为常见，应用也最为广泛心J。压电式微位移机构具有结构简单紧凑、分辨率高、较高的动态特性和响应频率的特点。但因传统压电陶瓷式驱动器由多个单片压电陶瓷片堆叠而成，这样加剧了位移输出特性的非线性、迟滞和蠕变，而

6、且对驱动器的制造提出了更高的要求。2003年美国航空航天局研究中心研制出一种新型的压电材料——压电纤维复合材料(MFC)，它是将压电陶瓷纤维和高分子聚合物等材料通过复合工艺构成一种新型功能材料，既保留了传统压电陶瓷的特性，又使其具有了组合材料不具有的特性，其中最大的特点就是降低了传统材料的应变常数以。值，相对提高了材料的应变常数6f3，值∞圳。笔者基于压电纤维复合材料，设计了一种新型的压电式微位移驱动器，相比于传统的压电陶瓷式微位移驱动器，具有结构简单、线性度较好、输出位移大和灵敏度高的特点。1压电纤维复合材料及其驱动原理压电纤维复合材料又称宏纤维复合材料，由压电陶瓷

7、和环氧树脂聚合物等材料复合而成，根据两相材料的连通方式可分为多种基本类型，其中1-3型压电纤维复合材料是目前研究最多和应用最广泛的一种压电纤维复合材料。与传统的压电陶瓷材料不同，它采用的是交叉指形电极，利用的是压电陶瓷纵向压电效应和应变常数d⋯即应变方向与材料长度方向相+国家自然科学基金项目(51275217)；国家科技重大专项项目(2013zx04009031)12程学亮，等：基于压电纤维的微位移驱动器的研究2016年第lo期同，这就极大地提高了材料的驱动性能，同时，具有各向异性和响应更加灵敏的特点。图1所示为1．3型交叉指形电圾压电纤维复合材料的