智能结构器件.docx

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智能结构器件

《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1

1.1超声波电动机的简介1

1.2超声波电动机的基本结构和工作原理1

1.3超声波电动机的研究现状3

1.3.1国外超声波电动机的研究现状3

1.3.2国内超声波电动机的研究现状4

1.4超声波电动机在航空航天领域中的应用5

1.4.1超声波电动机适用于航空航天领域的原因5

1.4.2超声波电动机在航空航天领域应用的典型实例6

1.4.3制约超声电机在航空航天领域应用范围的因素8

2.压电叠堆驱动器举例——一种压电叠堆泵9

2.1压电叠堆原理9

2.2压电叠堆特性9

2.3一种新型压电叠堆直线电机10

2.3.1电机的摩擦驱动机理11

图8电机的摩擦驱动机理11

2.3.2电机的振动模型11

图9电机的振动模型12

2.3.3电机的结构设计13

图10电机定子结构13

图11样机实物图13

2.3.4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14

3.压电双晶片驱动器实例——一种旋转压电陶瓷驱动器14

3.1压电双晶片的结构设计14

3.1.1双晶片的结构14

图14双晶片结构示意图14

3.1.2双晶片的工作原理15

图15双晶片变形输出示意图15

3.2压电驱动器的结构设计和工作原理15

图16驱动器结构示意图16

3.3压电驱动器的性能研究16

3.3.1转速与电压的关系16

图17转速和电压的关系16

3.3.2转速与频率的关系16

图18转速和频率的关系17

4.压电双晶片型惯性冲击式旋转精密驱动器17

4.1驱动器的结构和工作原理17

图19驱动器的结构示意图18

4.2驱动器性能试验19

图20驱动器样机示意图19

4.3驱动器试验结果分析19

5.压电自适应桁架结构智能振动控制20

5.1压电主动杆件的设计20

图21压电主动杆结构图21

5.2模糊神经网络控制器21

图22模糊神经网络控制器21

5.2.1神经网络层间计算21

5.2.2模糊规则的定义22

6智能结构和器件的应用及发展趋势23

7.参考文献24

1.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（UltrasonicMotor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，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、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.Vlavrinenko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（DefenseAdvancedResearchProjectAgency）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、MEMS、和BioMEMS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,3mm,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，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-Cohen研究的旋转型行波超声波电动机可以在-150℃的低温和2.1Pa真空度环境下工作334h，且在933Pa的真空下工作230个0—90℃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JPL﹑MIT、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0.05N•m的超声电机，火星机械手在MicroarmⅡ上使用了三个扭短为0.68N•m和一个扭矩为0.11N•m的超声电机。

因此MicroarmⅡ

结构虽与MicroarmI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5USM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1.7N•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7Micro5微操作手示意图

3）欧洲

法国CedratTechnology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lm，而直流电压驱动时，分辨率小于1nm。

1.4.3制约超声电机在航空航天领域应用范围的因素

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100μm，使得较低的电压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，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1.6Hz~2.0Hz之间电机运行平稳，从图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60V~100V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δ与输入电压U的关系为：

δ=d33U

式中