（机械电子工程专业论文）压电陶瓷双晶片在电子提花系统中的应用研究.pdf

i i ii ii i l l l l1t 1 11 11 1 1 11 1 1 1 1 i | 一y 18 14 9 5 2 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权浙江理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密一，在三鉴丝年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口 。 学位论文作者签名： 吾、旧趟 j 日期：口b 年；月d 日 指剥雠：名群 日期：汐莎年岁月阚。 械电子领域有 着广泛的应用前景。但是由于压电驱动器内在的非线性，在一定程度上限制了它 的应用。 本课题主要任务是将压电陶瓷双晶片驱动器应用到电子提花领域，开发一套 适合压电陶瓷双晶片驱动的选针机构和控制电路，并在这个基础上进行了选针参 数的测试。 本文首先介绍电子提花机国内外的发展现状，指出了目前电磁阀选针元件存 在的问题。接着介绍了压电驱动器的特点，其响应频率快、驱动电流小、不发热 等物理特性，决定了它作为电子提花选针元件的可能性，对国内外的压电陶瓷双 晶片进行了实际测试，其驱动力和位移符合电子提花选针的设计要求。在此基础 上设计了压电陶瓷选针机构，并开出了模具。然后设计了压电陶瓷选针控制系统， 并对压电陶瓷的驱动电源的一些关键元件进行校核计算，针对压电陶瓷的驱动特 点，对功率放大元件的热阻进行计算，最终通过对各部分的连接组合完成了一套 压电陶瓷电子提花控制系统。最后在自制的电子提花选针试验台上进行测试，使 用日本的p h o t r o nf a s t c a m - s u p e r1 0 ka n di o k c 高速影像仪进行一些提花参数 的测量，试验结果表明压电陶瓷双晶片动作基本稳定，作用原理基本符合我们当 初的设计要求。 关键词：电子提花选针元件；压电驱动器； 逆压电效应；压电陶瓷双晶 片：功率放大器；直流稳压电源 浙江理工大学硕士学位论文 s t u d yo nt h ea p p l i c a t i o no fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sb i m o r p h i ne l e c t r i c a lj a c q u a r ds y s t e m a b s t r a c t d u et ot h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g hr e s o l u t i o na n df a s tr e s p o n ds p e e d o fp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r ，i th a sae x t e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c t si n m a n yf i e l ds u c ha sp r e c i s i o nm e c h a n i c sa n de l e c t r o n i c s h o w e v e rb e c a u s e o fi t sn o n l i n e a rp r o p e r t y ， p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o ri s1 i m i t e di nm u c h p r a c t i c a la p p l i c a t i o nf i e l d s t h em a i nw o r k o ft h i ss u b j e c ti st h ea p p l i c a t i o no fp i e z o e l e c t r i c c e r a m i c sb i m o r p hi ne l e c t r i c a lj a c q u a r d ，w ed e s i g nt h eh e a l dh o o k s s e l e c t i o nm e c h a n i s ma n d c o n t r o l s y s t e mw h i c h i ss u i t a b l et ot h e c h a r a c t e r i s t i co fp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r ，a n dt e s tt h es t a b i l i z a t i o na n d r e l i a b i l i t yo ft h i ss y s t e ma c c o r d i n gt ot h ee l e c t r o n i cj a c q u a r d i n t r o d u c e dh e r ea r et h es t a t u so fe l e c t r o n i cj a c q u a r di nt h ew o r l d ， ia n a l y z e st h ep r o b l e me x i s ti ne l e c t r o m a g n e th e a l d h o o k ss e l e c t i o n c o m p o n e n t t h e ng e n e r a li z et h ep r o p e r t yo fp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r ， s u c h a sf a s tr e s p o n s e 、l i t t l ed r i v e rc u r r e n t 、n o n h e a t ，w h i c hm a k ei tm o r e s u i t a b l ea sh e a l dh o o k ss e l e c t i o nc o m p o n e n t ，a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t o fd r i v e rd is p l a c e m e n ta n df o r c e ，w h i c hm e e tt h ed e m a n do fj a c q u a r d ，w e d e s i g nt h eh e a l dh o o k ss e l e c t i o nm e c h a n i s ma n dm a k et h ep l a s t i cm o d u l e ， a n dd e v e l o pt h ed r i v e rs y s t e m ，ic a l c u l a t et h ek e yc o m p o n e n ti nt h i s s y s t e m ，e s p e c i a l l yt h ep o w e ra m p l i f i e ra n di t sh e a t e d r e s i s t a n c e a t l a s t ，t h ep i e z o e l e c t r i c a c t u a t o r s y s t e m o fe l e c t r o n i c j a c q u a r d i s a s s e m b l e db ya l lp a r t s w eu s et h ep h o t r o nf a s t c a m - s u p e ri o ka n di o k ch i g h s p e e di m a g es y s t e mo fj a p a nt og e tt h ee x p e r i m e n td a t a ，t h er e s u l ti n d i c a t e t h a tt h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sb i m o r p ha c ts t a b l y ，s a t i s f yt h ed e m a n d o fo u rd e s i g ni nt h ef i r s tp l a c e 浙江理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cj a c q u a r d h e a l d h o o k ss e l e c t i o n c o m p o n e n t ： p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r ： c o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c t ： p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c sb i m o r p h ；p o w e ra m p l i f i e r ：d i r e c tc u r r e n ts t a b i l i z e dp o w e rs o u r c e i i i 浙江理工大学硕士学位论文 目录 摘要。 i a b s t r a c t ( 英文摘要) 。 i i l i l录 i v 第一章绪论 1 1 1 电子提花的发展概况 1 1 2 国内外提花技术研究现状 2 1 3 目前电子提花控制元件发展现状。4 1 4 目前电子提花控制元件存在的问题及本课题的研究意义 6 1 5 基于压电陶瓷电子提花机的开发设想。 9 1 6 本章小结9 第二章压电陶瓷驱动基本理论及应用分析。1 0 2 1 压电陶瓷概述。1 0 2 1 1 压电效应与压电逆效应1 0 2 1 2 逆压电效应静电力学分析1 1 2 1 3 压电方程1 3 2 1 4 压电振子等效电路及谐振特性。1 4 2 2 压电驱动技术1 5 2 2 1 常用压电驱动器1 5 2 2 2 压电陶瓷物理特性。1 8 2 2 3 压电驱动的特点2 0 2 3 压电陶瓷双晶片测试结果与分析2 1 2 4 本章小结。“ 第三章压电陶瓷双晶片选针机构设计2 5 3 1 压电选针机构结构原理；。2 5 3 2 选针机构设计及弹性竖针受力分析2 7 3 2 1 选针机构设计选型。2 7 3 2 2 弹性竖针的有限元模型分析2 9 3 2 3 选针机构的实体设计及开模3 1 3 3 开口机构设计3 3 i v 浙江理工大学硕士学位论文 3 3 1 梭【：】 3 3 2 开口过程中经纱张力的形成。 3 3 3 提刀臂设计。 3 3 4 提综机构运动学分析。 3 4 本章小结。 第四章压电陶瓷驱动器控制电路设计 4 1 电子提花机控制技术概论o 4 2 直流稳压电源设计。 4 2 1 + 1 0 0 v 、+ 9 5 v 两路直流稳压电源设计 4 2 25 v 、1 2 v 稳压电源设计 4 3单片机及其外围电路 4 3 1 单片机复位时钟电路及j t a g 接口电路 4 3 2 单片机存储扩展 4 4 高压放大电路设计 4 5r s 2 3 2 串行通信模块 4 6 织机控制与提花机同步匹配 4 7 本章小结 第五章测试工具及测试结果分析 第六章总结与展望 6 1 论文总结 6 2 研究展望 参考文献 附录一压电陶瓷选针工作过程高速摄影图 附录二p c b 板图 附录三部分测试程序 j 2 i 谢 在学期间的研究成果及发表论文 v 弘 巧弘 卯 钉 铊 铊 够够牾铝鹕兜舄 舛鼹 趵 记 配以 甜 卯 乃 他 浙江理工大学硕士学位论文 第一章绪论 提花机是一种利用各种颜色不同的经纱、纬纱相互交织形成大花纹组织织 物的机电一体化产品。随着人民生活水平的提高，对提花织物的需求也越来越 大，而且随着计算机技术的发展，提花技术经历了一个漫长的发展历程，在融 合现代机械、信息、电子技术的基础上逐步走向成熟。发展至今，提花机的技 术也更加成熟，电子提花机的市场将会迎来春天。 1 1 电子提花的发展概况 提花织物有着非常悠久的历史，在丝织、色织、毛织等行业中均有大量生 产，深受人们喜裂1 1 。提花织造行业是世界各国古老的传统行业之一，但提花 织物织造技术在1 9 世纪以前的发展却异常缓慢，织造提花织物基本都是用人工 以手提脚踏的方式来完成的，工作非常辛苦，而且效率又低，提花织物的价格 非常昂贵。 历史上记载的最早的提花装置出现在1 6 世纪左右称之为“拉花机”【2 j ，由 两个人一组进行织造，拉花工在织机上方按照花纹拉起经纱，在下面的织工进 行织机的操作，两人互相配合，织出提花织物。 当时为了减少劳动力，人们考虑是否可以用某种机械设备代替拉花工，1 9 世纪初，法国人约瑟夫贾卡制造了首台可控制的提花机，采用可更换的打孔 纹板储存提花信息，控制经丝提升。这就出现了机械式提花机，取代了传统的 手工作坊。虽然在技术上取得了巨大的进步，但是机械式提花也存在着很多缺 陷【3 l 如： 纹板本身成本高、寿命短、体积大。一个大花型纹板价值几千元，而使用时 间只有十来个月。以1 0 3 2 针的提花机为例，9 0 0 0 片纹板重9 0 公斤，体积 为o 5 立方米，在车间使用占地面积大。由于纹板笨重，因此运输、使用、 更换、保管都极不方便。 如果仅仅做试样或小批量生产，由于制作纹板造成的成本就非常惊人，对花 型进行修改也极其麻烦。 由于纹板数量多，冲制纹板需要较多的时间，在对外贸易中经常有因无法及 时提供样品而导致不能成交的事情。 由于是机械接触式传动，纹板磨损比较严重，这对整机的维护也是一个难题。 浙江理工大学硕士学位论文 因此机械式提花机还是有很大的上升空间。 随着计算机技术的发展，人们很容易想到用计算机的0 、1 信号来控制提花， 取代机械式的纹板，这也是计算机比较早的应用到了提花机领域。这就出现了 电子提花机，从而使得从意匠到提花织物的过程大大简化，省略了冲孔、制板 的繁琐过程，随着c a d 软件的发展，更改花型程序也变得更加方便。 国外电子提花技术主要都是采用直接提花的电子笼头，提花机构一般采用 选针和提针机构相互分离，选针机构根据工艺要求，选出需要提升的提针并将 其移动到提升位置，然后由统一的提针机构完成经纱提升，形成梭口。面对如 此大的行程和张力，这种分离机构可以产生更好的提花效果。 1 2 国内外提花技术的研究现状 电子提花机与新型无梭织机配套，可制织各种原料的大花纹提花织物。特 别是满足少批量、多品种的个性花生产的需要。国外从六十年代开始对电子提 花机进行研究，七十年代便出现了第一代电子提花机。较著名的如博纳斯、史 陶比尔、g r o s s 等公司生产的电子提花机。目前国际上主流提花机的生产现状 如表1 1 【4 h 8 】所示。 表1 1 国际提花机开发情况 德国g r o s s法国s t a u b l i英国b o n a s 型号 e j p 一2 型c x 8 8 0 d s j 2 型 高速、高效电子提花机，新型高性能电子提花机，电子具有多到1 2 1 梭口设定。 模块式经纱方向提刀结控制式双提刀提花机，带史陶双提刀全开梭口提花机。 结构构，每把提刀控制6 4 根比尔c x 组件，方便的工业接5 0 0 系列及5 5 0 系列可与 与特 经纱，保持载荷恒定。独头。适用高速的喷气织机。设 b o n a s网络及 p c 点立的提综方式，且提综时计原理全面地满足了现代化e d i t w e a v e 系统兼容接 弹簧不受力。选针原理更织造对于正反运转速度以及近无限的花样。 加先进。 维修的优化要求。 系统共轭凸轮带动的复动式 共轭凸轮带动的复动式提花曲轴和偏心轮驱动 原理 提花机机 适用 剑杆、片梭喷气 高速剑杆、喷气、片梭剑杆、喷气、片梭 范围 电子式，独立控制箱，与电子式，独立控制箱，与织机网络化的提花控制系统。 织机同步。同步。程式储存量按1 3 4 4 针为 控制 程式储存量按1 3 4 4 针为程式储存量按1 4 0 8 针为2 ，0 0 0 ，0 0 0 纬，2 6 8 8 针 2 ，0 0 0 ，0 0 0 纬，2 6 8 8 针为1 ，8 0 0 0 0 0 纬 为1 ，0 0 0 ，0 0 0 纬 1 ，0 0 0 ，0 0 0 纬 机器 1 4 0 8 ，2 6 8 8 针( 单体) ，现在三种型号1 3 4 4 ，2 6 8 8 ， 规格 最大可至1 3 4 4 0 针最大可至1 2 2 8 8 针3 2 0 0 针，电子板可装、 以及中间针数组合拆 2 浙江理工大学硕士学位论文 辅助 可选的电子控制的自动 与润自动寻纬装置，中央润滑系统润滑装置及清闲空气系 滑统 生产被浙江舟山弘通精密机 现行生产现行生产 现状械有限公司收购 目前国际上在电子提花机上处于领先的s t a u b l i 公司，其研制的u n i v a l 1 0 0 已经在2 0 0 4 年的纺机展览会上展出，其最大的创新之处在于在用单独的步 进电机来控制每根经纱，这样既减小了冲击，又能使经纱的运动完全独立，而 且从控制角度来说，也更加容易实现。 纺织机械技术装备是我国纺织工业的物质技术基础，是纺织科技的重要载 体，纺织机械技术装备的发展关系到我国纺织工业的总体水平和竞争力。目前 国内各大纺织企业纷纷开发6 0 0 转m i n 剑杆和喷气织机列表如下【9 1 【1 。 表1 2 机电一体化高速剑杆织机的调查情况 生产单位项目名称立项部门项目进展 中国纺织机械股份有限公 万事达新龙剑杆织机中外合作项目 已批量生产，是国内较为成 司熟的产品。 经纬纺织机械股份有限公 高速剑杆织机自选 已完成样机试制，小批量生 司 产 高淳纺织机械有限公司g j 6 0 0 剑杆织机 国家科技部 已通过鉴定，小批量生产 苏州纺织机械有限公司g a 7 3 3 a 剑杆织机江苏省科技厅已通过鉴定，小批量生产 项目按计划如期进行，目前 g t 4 0 7 型高速电子多臂 江苏省科技厅正处于批量中试和改进阶 常熟纺织机械厂有限公司装置 段。 g t s i i 型电子提花装置国家经贸委 已通j ：- t 答帘。小批量年产 浙江泰坦股份有限公司t t 2 0 0 0 剑杆织机国家科技部已通过鉴定，小批量生产 浙江万利纺织机械有限公 孔4 5 0 剑杆织机自选 项目完成，按计划处于批量 司 中试和改进阶段。 聊城昌润纺织机械有限公 c r l 0 0 0 剑杆织机自选项目完成，小批量生产 司 大连市外经贸样机已研制完成，通过样机 大连恒为电子有限公司织物疵点在线检测系统 委试验验证，计划明年初鉴定 广东丰凯机械制造有限公 k t 5 6 6 剑杆织机广东省科委已通过鉴定，小批量生产 司 广州柏迪纺织( 机械) 公 p a il e i p s 6 0 0 剑杆织机自选 项目按计划完成，目前正处 司于小批量生产阶段。 表1 3 机电一体化喷气的调查情况 生产单位项目名称立项部门项目进展 已完成样机试制，正在 中国纺织机械股份有限公司高档喷气织机上海市经委 工艺验证 经纬纺织机械股份有限公司 愉次分公司 喷气织机自选已完成样机试制。 3 浙江理工大学硕士学位论文 经纬纺机股份公司沈阳宏大 喷气织机 技术引进，自主开已完成样机试制，小批 纺织机械公司 发量生产 经纬纺机股份公司咸阳织机 喷气织机 技术引进，自主开 先后引进和研制多种型 号， 公司 发 批量生产 已通过鉴定，小批量生 苏州纺织机械有限公司 a s g a 7 0 1 喷气织机江苏省科技厅 产 无锡龙力机械有限公司喷气织机自选 已通过机械鉴定。 江苏省科技厅、江 已通过鉴定，小批量生 江苏万工科技集团有限公司w g 2 0 0 0 喷气织机 苏省经贸委 产 浙江泰坦股份有限公司t t 8 0 0 喷气织机 自选样机完成 样机完成，处于工艺验 浙江日发纺织机械有限公司r f j a l 0 喷气织机自选 证 已通过鉴定，小批量生 广东丰凯机械制造有限公司喷气织机自选 声 近期己通过鉴定，小批 石家庄市纺织机械有限公司s g a 2 1 1 喷气织机河北省科委 量试制 已完成样机试制，小批 陕西普声电气公司喷气织机自选 量生产 高速剑杆和喷气织机的研制，客观上要求有高速高效的电子提花机配套。 但是国内电子提花机研究起步比较迟，8 0 年代开始提上议事日程。至今，国内 对提花机的生产已有一定的基础。如常熟纺机厂生产的2 6 8 8 针电子提花机、杭 州奇汇生产的q h 系列提花机、浙江舟山弘通精密机械有限公司生产的c c j 系 列智能提花机等。其性能较以往已有了较大的提高，但与s t a u b l i 及b o n a s 等国际品牌相比还有一定的差距。另一面，国内现有的电子提花机的技术原创 性很少，特别是对提花机中的关键部件( 电信号到机械量转化部件) ，没有进 行更多有效的研究。 1 3 目前电子提花控制元件发展现状 上一节提到的s t a u b l i 、b o n a s 、g r o s s 三家公司代表了国际提花机的 先进技术【1 2 j ，那我们现在来看一下他们提花机中的关键部件控制阀的结构。如 图1 1 中的( 1 ) 结构是s t a u b l i 的电磁阀选针元件的结构简图，其原理主要 是：通过提刀1 2 的上下运动带动竖针6 做上下往复运动，在提刀达到最高位置 时，电磁阀通电，竖针6 使固定钩4 上部靠向电磁阀5 ，弹簧3 被压缩。当下 一次竖针运动到这里，若电磁阀不通电，则弹簧3 使固定钩4 复位。只有两边 的竖针都处于上方的时候，经纱才被提升，形成开口。s t a u b i l i 公司在精密 制造方面都是采用国际一流的加工设备，保证了其加工精度，并且把选针阀做 4 浙江理工大学硕士学位论文 成模块化一c x 组件，每个组件包括两根竖针，两个固定钩，两个弹簧和一个 电磁阀，特别是下面的工业接头，s t a u b l i 都把它做成了标准化，和公司的工 业机器人接头做成同一个标准，可以说，s t a u b l i 在精密机械电子领域的技术 优势，使得其电子提花选针元件在国际上处于领先的位置。 图1 1 的( 2 ) 是b o n a s 的选针元件的结构简图，b o n a s 的选针元件在 原理上与s t a u b l i 基本相同，都是属于复动式开口，其主要的区别在于b o n a s ( 1 ) s 吖出b u 控制阀 图1 1 各种选针阀结构图 ( 3 ) g r o s s 控制阀 的竖针3 是有弹性的钢片，其复位靠竖针的自身的弹性来达到。这样的电磁阀 的机构可以更加简单，但是对于电磁阀的磁力要求更高，需要比s t a u b l i 选 针元件的力要大，这就要求通过电磁阀线圈的电流要大，因而要消耗更大的能 量。 图1 1 中的( 3 ) 是g r o s s 的选针元件机构简图，g r o s s 公司前期并不是 做纺织行业的，所以它进军电子提花行业，没有在以往机械式提花机上做修补， 而是开发了全新的电子控制系统和结构，在电磁阀的设计上，采用了可靠的竖 针结构，在加上片簧8 和电磁阀1 构成了阀体的基本模块。选针原理和上述的 5 浙江理工大学硕士学位论文 两种结构基本相同。主要区别在与提刀4 、5 是径向运行，而且提刀的长度相同， 所以不管提花机竖针数目的多少，也只是提刀数目的变化，提刀受到的应力水 平都是相同的。这对系统的稳定和保证提针的效果是很有好处的。 1 4 目前电子提花机控制元件存在的问题及本课题研究意义 目前国内外电子提花机普遍是采用电磁阀来控制选针的，其工作原理如图 所示【1 3 l 。以往提花机 的机械选针方式是 通过多环节的机械 传动，便通丝升降， 其复位是消极式的， 因而在高速运动的 时候，容易发生错位 和磨换。现在改用电 磁阀电子板，如图 1 2 由提刀a 、b 带动 左右片钩a 、b 做周 期上下运动，当提刀 i a l l i c )l d ) 图1 2 电磁阀工作原理图 1 一电磁阀2 一上皮带3 一滑轮4 - 下皮带5 一固定架6 一 a 向上运动的顶点位 挂钩7 - 凸台8 - 综丝9 一经纱l o 一弹性回综 a 、b - - - - 左、右 置时，给电磁阀加 片钩a b 一左、右刀片h - - 经纱开口高度 电，产生吸力吸住左片钩，使其挂在挂钩6 上，这时提刀b 上升就带动滑轮3 往上运动，形成梭口高度h 。电磁阀断电时，就由弹簧1 0 弹性回综。这种选针 方式很简单，电子化程度高，大大减少机械活动部件，动作可靠敏捷，磨损少， 维修方便。更换电磁阀不必拆卸通丝，虽然有这么多的优点，但是这种电磁式 选针装置有其不可弥补的缺陷，对它的发展带来了直接的影响。其原因有： 由于提花机针数很多，一般在几百针以上，所以需要的电磁铁也就很多。 通常每个电磁铁线圈大约需几十毫安的电流或更大，因此电磁选针部分的 耗电很大，而且会产生几十安培的冲击电流。 由于电磁铁属于感性负载，电流瞬变时会产生过渡过程，有时会发生有害 的振动。特别是由于电子提花机上电磁铁排列密度高、速度快，电磁铁在 6 浙江理工大学硕士学位论文 工作中产生的剩磁很难完全及时排除。 织布车间中的电机、电灯及其他电器等在工作中的电磁场的干扰以及提花 机上的电磁铁通、断电时产生的电磁场的相互干扰，这些都会影响电磁选 针装置和其他控制机构的正常运作。 既然电磁选针存在了这么些问题，那有没有合适的选针元件的能替代电磁 阀呢? 答案是肯定的。我们从针 织选针元件一压电陶瓷的到启 示，压电陶瓷能否应用到电子提 花的选针上来。下面图1 3 是压 电陶瓷片在袜机上的应用情况 x 4 1 - 【1 6 1 ，通过压电陶瓷片的来回摆 动来确定袜机的提花针是否沿着 组合三角运动。其选针的速度可 以达到1 5 0 0 转m 聃，最高可达 图1 3 压电双晶片在袜机上的应用 到3 0 0 0 转m 矾，而且动作稳定，压电陶瓷选针器在国外针织上已经成功应用 了1 0 多年的时间，已经算是比较成熟的技术。 虽然在选针机理上针织和机织的提花有本质的区别，针织提花针数一般都 比较小( 几针到几十针) ，由于针织使旋转运动，所以其选针元件的频率更加高。 但是可以为我们的实验提供参考。 而且压电陶瓷双晶片有很多内在优点，驱动电流小，耗电量为电磁阀驱动 图1 4 国产针织压电陶瓷选针阀 7 的1 1 0 ，不发热，没 有电磁干扰，完全可 以解决电磁阀式机 器散热的问题。响应 频率快，频率达到兆 级。 为此我们对压电 陶瓷双晶片的情况 进行了调研，期间我 浙江理工大学硕士学位论文 们去了重庆，他们曾参加开发过压电陶瓷在针织行业中的应用。当时由于种种 原因没有开发成功。但是他们相信这个项目是可行的。而且我们也有幸看到他 们以前开发模型，如图1 4 所示，压电陶瓷双晶片和模型都是自主开发的，也 已经应用到了实际的生产应用，但最终没有作为产品推出。后来我们找到了日 本的w a c 选针器，在针织上已经应用了很多年，在如横机，袜机等上都有应 用，我们购买了w a c l 6 针的选针器，其实物如图1 5 所示。 图1 5 日本w a c 选针器实物图 从实物中可以看得出w a c 选针器的设计与制造都是非常精密的，但是在 袜机和横机上选针器都是运动的，其所用的选针器个数并不多，所用的压电陶 瓷双晶片尺寸也比较大，长宽高分别为6 0 x 2 6 x 0 6 ( m m ) ，这在电子提花机上是 致命的，而且w a c 选针器所用的压电陶瓷双晶片，全部都是日本进口的，价 格非常高，这也是我们所不能承担的。因此我们在国内寻找压电陶瓷的研究开 发机构，终于找到了非常有实力的国产开发压电陶瓷的公司，通过我们与其接 触，了解到他们目前也在开发在针织上应用的压电陶瓷双晶片，得知我们的来 意之后，公司对我们的项目也非常支持，给我们提供了一些不同规格的压电陶 瓷双晶片进行测试。 8 浙江理工大学硕士学位论文 1 5 基于压电陶瓷电子提花机的开发设想 上一小节我们主要分析了目前电子提花机存在的一些缺陷，我们可以比较一 下压电陶瓷在这方面的优势，从理论上分析，压电陶瓷驱动电流小，功耗低， 对冲击电流的抗干扰性很强，并且发热小。不存在电流瞬变时的过渡过程而发 生的有害振动，更不存在受电磁场干扰等现象，而且其响应的频率非常高，空 载的时候频率能达到几兆每秒，在高速织造中动作稳定，可靠性高，因而有利 于进一步提高提花织机的速度。 本论文主要在以下方面展开工作： 1 由于压电陶瓷属于精密驱动元件，在提花机上作为从电信号到机械量转化 的部件，位移量达到了m m 的级别，这对压电陶瓷来说是属于大量程，而且 压电陶瓷属于容性器件，这就对电源提出了要求，需要设计一个符合压电陶 瓷量程的驱动电源。 2 压电陶瓷的位移达到了m m 的级别，但是对提花选针的机械控制来说还是 太小。这就需要设计一套合理的放大机构和选针机构来满足提花选针的设计 要求，这也是本论文的创新之处。 3 压电陶瓷和以往的电磁驱动有本质的区别，所以要求重新设计驱动电路， 对一些关键的元件进行校核设计。 4 为了完成选针测试，必须对原有的提针机构改装为压电陶瓷选针测试试验 台，并画出c a d 图纸交由厂家生产。 1 6 本章小结 本章首先介绍了一些提花机的基本知识，分析了国内外电子提花技术的发展 概况，介绍代表电子提花机国际先进技术三家公司的典型产品及其优势，并且 简述了国内纺织机械行业近年来取得的技术成果。在此基础上，指出目前电子 提花关键元件电磁阀存在的问题，并由此引出压电陶瓷选针元件研究的必要性 和可行性。本章的最后概述了本论文所要解决的主要问题。 9 浙江理工大学硕士学位论文 第二章压电陶瓷驱动基本理论及应用分析 绪论中我们主要介绍了目前电子提花机的国内外研究现状，分析了目前存 在的问题。认为压电陶瓷在作为提花机关键选针元件( 电信号转换机械量部件) ， 相比电磁阀有比较大的优势。故本文采用压电陶瓷作为电子提花机选针的执行 元件。为了便于问题的讨论及对本文的理解，本章重点讨论并分析与压电陶瓷 应用相关的压电驱动技术的基础性问题。 2 1 压电陶瓷概述 2 1 1 压电效应与逆压电效应 1 8 8 0 年，法国的居里兄弟，在研究石英晶体的物理性质时发现了一种奇怪的 现象：当沿着晶片的某些方向施加作用力使晶片发生形变后，晶片上相对的两 个表面会出现等量的正负电荷，电荷的面密度与施加的力的大小有关。这种没 有电场作用，由于受外力作用使晶体表面出现极化电荷的现象，称为正压电效 应【1 7 1 。具有压电效应的晶体称为压电晶体。压电晶体力和振动传感器正是利用 压电晶体的正压电效应，通过测量压电晶体表面电荷的多少计算压力的大小。 当对压电晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生了形变，这种由电 场产生形变的现象称为逆压电效应，逆压电效应的产生是由于压电晶体受到电 场作用时，在晶体内部产生了应力，这种应力称为压电应力，通过它的作用产 生压电应变，实验证明凡是具有正压电效应的晶体，也一定具有逆压电效应， 国铅印 a ) ( q 图2 1 晶体的压电效应 两者一一对应。具有压电效应的材料称为压电材料。 现以图2 1 中的圆柱形压电晶体为例来说明压电效应1 1 引。图2 1 ( a ) 表示 1 0 浙江理工大学硕士学位论文 空载条件下的压电晶体。此时，晶体不受外力作用，正电荷的重心与负电荷的 重心重合，整个晶体表面不荷电。但是，当沿某一方向对晶体施加机械力时， 晶体就会由于发生形变而导致了正负电荷重心不重合，也就是电矩发生了变化， 从而引起了晶体表面的荷电现象。图2 1 ( b ) 为晶体受压缩时荷电的情况。i 图 2 1 ( c ) 则是拉伸时的荷电情况。在这两种情况下，晶体表面带电的符号相反。 反之，如果将一块压电晶体置于外电场中，由于电场作用，会引起晶体内部正 负电荷重心的位移。这一极化位移又导致了晶体发生形变，这个效应就称为逆 压电效应，如图2 1 ( d ) 、( e ) 、( f ) 所示。 由此可知，压电效应是由于晶体在机械力的作用下发生形变而引起带电粒 子的相对位移( 偏离平衡位置) ，从而使得晶体的总电矩发生变化而造成的。晶 体是否呈现压电性，由构成晶体的原子和离子排列方式所决定。具有对称中心 的晶体永远不可能具有压电性。而逆压电效应是由于晶体在# l , a n 电压下发生形 变，我们的设计原理就是基于压电陶瓷的逆压电效应。 2 1 2 逆压电效应的静电力学分析 电介质在电场作用下的电极化程度可用电极化强度来表示，所谓电极化强 度是指单位体积内电偶极矩的矢量和，它直接反应了电介质在电场中电学与力 学的关系。 如图2 2 所示【1 9 l ，当压电陶瓷的两极板上施加电场时，设极板上的电荷密度 为 一f 蝇 1 f 匦圈 e 图2 2 压电陶瓷电场极化示意图 f ，真空介质常数g 。，压电介电常数，所以可得介电质极化电荷面密度f 。与 极板上电荷密度f 的关系： f l 。三二鱼z ( 2 - - 1 ) 占 当外电场消失后，压电陶瓷仍然有剩余极化存在，此时剩余极化强度等于剩余 浙江理工大学硕士学位论文 电荷面密度。 可以用一个电偶极子来代替极板间的电介质，受力关系为：f = q * e 其中q q l + q 2 一瓴+ f 2 ) 宰s ( 2 2 ) q 。为电介质表面剩余极化电荷；q ：为电介质表面剩余极化电荷：s 为极板面积； q 为电介质表面极化电荷面密度；f ：为电介质表面剩余电荷面密度。 q ：町2 宰s 。尘鱼宰e 宰s 压电陶瓷可以做弹性体，根据胡克定律： f 灿( q l + q 2 ) 蒜 ( 2 4 ) 其中k 为压电陶瓷的弹性模量；a l 为电介质在外电场下的伸长量。根据以上公 式可得： k 缸- ( q l + q 2 m ( q 1 + q 2 ) 舌缔河 压电陶瓷的介电常数远大于真空介电常数，所以上式可以简化为： k 事业一( q 1 + q 2 m 一( q i + q 2 ) 搴警- 警 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 由此可以看出，压电陶瓷的位移与电介质极化电荷和剩余极化电荷有关。为了 说明压电陶瓷的位移和电介质极化之间的关系；可以由( 2 6 ) 式得出一下两 组关系： 址。垒：望芷鱼：垒：! ! ：墨! ：。口幸旦+ 6 幸( 旦) ： ( 2 7 ) o 宰s 事ko 串k d、d 7 缸，垒：望2 垒2 ：。鱼：! 兰：竺：。c 曩p + p p z( 2 8 ) 占。牛s 宰ko k 其中e 为压电陶瓷内部电场强度；u 为外加电极板间电压，d 为电极极板间距离； p 为压电陶瓷内部电极化强度；a 为压电系数；b 为电致伸缩系数。 从式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 可以得出以下结论： 根据q l 的取值可以分为三种情况： 1 q l 远大于q ：，且有q 2 = f 木e ，此时表现为逆压电效应。有如下关系： 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 工垒：垡。垒：兰：墨；堕! ；c p ，一暑一暑一暑i ：厂 o 幸s 宰ko 宰kg o 宰k 其中c q l ( f 。宰k ) ，c 为逆压电系数。 ( 2 9 ) 2 q 1 远大于q ：关系不成立时，逆压电效应和电致伸缩效应同时存在。 3 当q l 等于零时，表现为电致伸缩效应 址。堡：。兰。p 宰p z f o 宰s 宰k占。木k 其中e s ( g o 掌k ) ，e 为电致伸缩系数。 ( 2 1 0 ) 因此通过上面对压电陶瓷的讨论，逆压电效应的线性度与预极化强度有关， 预极化电荷越多，剩余极化电荷越少，逆压电效应的电场强度与位移的线性度 越好。 2 1 3 压电方程 压电材料作为一种具有压电效应的弹性体，其在电场中的电行为可以用电场 强度e 和电位移d 两个电学量来描述，而其力学行为则可以用应力t 和应变 s 两个力学量来描述。 对于一块不受外力作用的电介质，在外电场中，其电场强度和电位移的关系 为： d e e( 2 一1 1 ) 个二阶对称张量1 2 0 1 ，共有9 个分量。如果d 、e 的分量是d ；和e ( i = l ，2 ，3 ) 来 刚鞋骥 沪 皿= 荟勺e ( i = 1 ，2 ，3 ) ( 卜1 3 ) 浙江理工大学硕士学位论文 2 1 4 压电振子等效电路及谐振特性 能受外加交变信号的激励而形成振动的压电晶体或压电晶体与弹性体的连 接体称为压电振子。下面我们研究只由压电陶瓷组成的压电振子的等效电路。 任何一个压电振子都具有一定的机电转换能力，是 一种典型的机电换能系统。因此，我们可以用一个 六端机电网络来描写压电振子的特性，它具有两个 力学端( e ，k ) 、( 疋，屹) 以及一个电学端 图2 3 六端机电网络 ( 巧，3 ) ，如图2 3 所示。 对于不同振动模式的压电振子，由压电方程和运 动方程都可导出对应的机电网络，再根据力学边界条 件并通过力电类比得到等效电路。如图2 4 所示。 、憎 在这个等效电路中各个参数的意义介绍如下： 厶为等效电感，也称为动态电感或内电感。它与材料 的机械性质有关，类比于压电振子的质量。 图2 4 等效电路 冠为等效电阻，它与材料的机械损耗有关o c ，为动态电容； c 。为静态电容。 在驱动信号频率较高的情况时，可以将压电陶瓷等效为一个电容来分析电 路，事实上多数应用场合都可以满足这一规律。把交流电压施加到压电振子上， 由于逆压电效应耦合将在振子中产生应变，激发起振子的机械振动，振子的机 械振动又通过正压电效应产生电流，即反馈电流；当外加的驱动电压频率与压 电振子的机械谐振频率一致时，振子的机械振动振幅变得很大，驱动电流与反 馈电流同向相加，流过振子的电流最大，振子呈现的阻抗最小。当驱动电压的 频率超过谐振点时，反馈电流逐渐滞后于驱动电流，并在某一频率处反相抵消， 使流过压电振子的电流最小，振子呈现的阻抗最大。 压电陶瓷的最佳工作状态位于谐振频率区域。谐振频率在物理关系上等同 于物体的固有频率，它是由频率常数与尺寸结构决定的一个参数，其大小由生 1 4 浙江理工大学硕士学位论文 产中的工艺参数，如成型的压力、极化电压的大小、晶粒的粒度及密实度等决 定。谐振状态的出现在电源回路的表现为：压电陶瓷的电阻抗最小，电流最大。 与此现象相对应，压电陶瓷也存在一个反谐振频率，此时电源回路表现为电 流最小，而阻抗最大。如图2 5 所示【2 1 1 ， 其中，肺为谐振频率，无为反谐振频率。 n 东 一 缱 图2 5 压电陶瓷频率图 2 2 压电驱动技术 2 2 1 常用压电驱动器 一、多层晶片型 如果采用单层较厚的晶片来产生所需的应变( 变形) ，将要求在晶片两极施 加很高的电压( 1 0 0 0 v 以上) 。而多层晶片型是将单个晶片做得很薄，然后各片分 别加电压，最后叠加起来。如图2 7 ( a ) 所示，这样便可以利用较低的电压( 一般 在1 5 0 v 以下) 获得较大的叠加变形。这种多层晶片型的压电元件通常又称为压 髓 ( a ) 压电叠堆结构( b ) p i 公司压电叠堆 图2 6 压电叠堆图 电叠堆( m u l t i l a y e rp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r s ) 。压电叠堆由压电陶瓷片、绝 缘体、内部电极以及外部电极等部分组成，采用机械上串联、电极上并联的方 1 5 浙江理工大学硕士学位论文 式，它具有输入电压低、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，可广泛应用于磁头的跟踪调节、光头的 聚焦机构、打印机