（机械电子工程专业论文）基于pzt驱动气动伺服阀研究.pdf

硕十学位论文 摘要 传统流体控制阀大量使用电磁铁作为电一机械转换级，将控制信号转换为机械的位 移，推动阀芯，实现通路的开关、切换或输出压力、流量的控制。电磁阀有价格低廉， 操作使用方便等优点，但其存在体积大、功耗大、响应速度慢、发热和受电磁干扰等缺 点，在严格要求输出小流量的场合；需要快速响应的场合；对功耗、体积、抗干扰能力、 安全性和可靠性有严格要求的场合应用受到了限制。 针对电磁铁作为阀驱动器的不足，本论文以新型的阀芯驱动装置一积层式压电驱动 器驱动杠杆式柔性铰链作为研究对象。积层式压电驱动器有不需传动机构、位移控制精 确、响应速度快、无机械吻合间隙、有较大的力输出和器件几乎无功耗的优点。提出利 片j 积层式压电驱动器为动力源，运用杠杆放大原理对积层式压电驱动器的位移进行放大， 由此构造出压电型气动伺服阀，并从理论与仿真两方面进行深入研究。 论文主要内容如下： 第章，概括本论文研究背景；分析了传统阀的应用限制；综述了新型智能材料及 其驱动器在阀控制中的优点及运用；概述了压电阀的研究现状及发展方向；概述了本论 文主要研究内容。 第二章，介绍压电材料的基本物理性质及其中重要的性能参数。对压电材料电机转 换机理进行了论述，阐明了压电驱动的基础理论问题，为下一步积层式压电驱动器的建 模分析提供理论上的指导。 第三章，通过理论分析，得出积层式压电驱动器的传递函数模型；建立了积层式压 电驱动器多层压电结构的有限元模型，得到静、动态工作的分析结果；理论分析的结果 表明，积层式压电驱动器具有较大的输出位移与输出力以及具有良好的动态响应特性。 第四章，在总结现有的柔性铰链及微位移放大机构的基础上，提出了单轴柔性铰链 的设计方法，对杠杆式微位移放大原理进行了深入的研究分析。利用有限元方法分析了 微位移放大机构的放大倍数、输入刚度及输出刚度，分析了典型结构参数对放大机构性 能的影响，并与理论结果进行了对比分析，得到了微位移放大机构的结构参数与性能的 影响关系。 第五章，利用杠杆式微位移放大机构设计了阀芯运动机构，建立了阀芯运动的系统 模型，研究分析了静、动态性能，找出影响性能的主要因素及影响规律，得到了阀芯位 基于p z t 驱动气功伺服阀研究 移与一阶固有频率。有限元分析结果表明，由p s t l 5 0 7 8 0 型积层式压电驱动器结合弹 性回复板驱动的杠杆式阀芯运动机构的阀芯位移达到2 0 2um 。 第六章，采用p s t l 5 0 7 8 0 型积层式压电驱动器配合杠杆式位移放大机构形成一种 杠杆放大直动式压电伺服阀。该阀采用阀芯内置的结构方式，利用单叠堆实现阀芯的双 向运动；采用钢球连接减小了阀芯所受的径向力；采用楔块式调中机构实现了阀芯位移 的精细调整，改善了阀芯的对中精度；采用螺旋副预紧力调整装置，可以对阀芯运动机 构施加可调的预紧力。用a m e s i m 软件对杠杆放大直动式压电伺服阀模型仿真，仿真结 果表明，该阀阀芯位移达到2 0 2 pm ，在7 b a r 压力下的最大质量流量为6 0 7 9 s ，系统 的响应时间为8 m s 。 针对新型压电气动阀的设计创新性地提出一种新的驱动装置，并在该驱动装置中分 析采用最简单的放大机构，运用a m e s i m 软件中的h c d 模块搭建压电气动伺服阀的仿 真模型并对该气动阀的基本静、动态性能仿真。 在以后的研究中可做进一步的工作：对压电直动式气动伺服阀进行精确的流体学、 动力学以及热力学建模，并采用合适的控制方法，以提高其工作的稳定性和可靠性；选 择或设计性能更好的压电驱动器，减小压电驱动器的的等效电容来可以进步提高压电 气动伺服阀的响应速度：增大压电驱动器的输出位移和驱动力使得压电气阀获得更大的 输出流量。 关键词：压电驱动气动伺服阀杠杆放大调整装置性能仿真 硕+ 学位论文 a b s t i a c t t h d i t i o n a l l a 唱e s c a l eu s eo ff l u i dc o n 仃d ls o l e n o i dv a l v ea sam c c h a n i c a lp o ，e r c o n v e r s i o nl e v e l ，t l l ec o n t r o ls i g n a l i sc o n v e r t e dt om e c h a n i c a ld i s p l a c e m e n t ，s p 0 0 lt op r o m o t e a n da c h i e v ea c c e s ss w i t c h ，s w i t c h ，o rt h eo u t p u tp r e s s u r ea n df l o wc o n t r 0 1 s o l e n o i dv a l v e s a r cc h e a pa n de a s yt 0o p e 眦e ，b u tt h ee x i s t e n c eo fs i z e ，p o w e rc o n s u m p t i o n ，锄ds l o wt o r e s p o n dt o ，e l e c t r o m a g n c t i ci n t e r f e r e n c e ，s u c ha sf e v e ra n ds h o r t c o m i n g s ，i nt h es t r i c t d e m a n d so nt h eo u t p u to fs m a l lf i o w so c c a s i o n s ；t h en e e dt 0r e s p o n dq u i c k l yt ot h eo c c a s i o n ； o fr e a c t i v ec o n s u m p t i o n ，s i z c ，a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i 劬s a f e t ya n dr e l i a b i l i 饥t h e r ea r cs 仃i c t r e q u i r e m e n t so f m ea p p l i c a t i o nh a sb e e nl i m i t e do c c a s i o n s t a k e st h ev a i v ed r i v e r si n s u 伍c i e n c yi nv i e wo ft h ee i e c t r o - m a g n e t ，t h ep r e s e n tp a p e r a c c u m u i a t e st h el e v e lt y p ep i e z o e l e c 仃i c 时d r i v e rb yt h en e wv a i v ec o r cd r i v et oa c t u a t et h e r e l e a s el e v e rt y p ef l e x i b l eh i n g et ot a k et h eo b j e c to f 鲫l i d y a c c u m u l a t e st h el e v e lt y p e p i e z o e l e c t r i c 时“v e rt oh a v ed o e sn o tn e e dt h e 仃a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h ed i s p l a c e m e n t c o n t r o lp r e c i s i o n ，t 1 1 es p e e do fr e s p o n s eq u i c l ( t ot a l l yt h eg a pw i t h o u tt h em a c h i n e r y ，t oh a v e t h eb i gs t r e n g t ho u t p u ta n dt h ec o m p o n e n td o e sn o th a v et h ep o w e rl o s sn e a r l yt h em e r i t p r o p o s e dt h a tt h eu s ea c c u m u l a t e st h el e v e l 够p ep i e z o e l e c t r i c i t yd r i v e ri sap o w e rs u p p i y e n l a 唱e st h ep “n c i p l eu s i n gt h er c l e a s ei e v e r 幻a c c u m u i a t et h el e v e it y p ep i e z o e i e c t r i c 毋 d r i v e r sd i s p l a c e m e n tt 0c a n 了o nt h ee n l a r g e m e n t ，f 而mt h i sc o n s t r u c t st h ep i e z o e i e c t r i c i 够a i r o p e r a t e ds e r v ov a l v e ，觚dc o n d u c t st h ed e e pr e s c a r c h6 o mt h em e o 眄锄dt h es i m u l a t i o nt 、o 舔p e c t s t h ep a p e rp r i m a 哕c o v e r a g ei sa sf o l l o w s ： 1 n h ef i r s tc h a p t e r ，b r o a dp r e s e n tp a p e rr c s c a r c hb a c k g r o u n d ；h a sa n a l y z e dt h e 删i t i o n a l v a i v e s a p p l i c a t i o nl i m i t ；s u m m a r i z e dt h en e wi n t e l l i g e n tm a t e r i a la n dd r i v e r si nv a l v e c o n t r o lm e r i ta n dt h eu l i l i z a t i o n ；h a so u t l i n e dt h ep i e z o e l e c 蛹c i t yv a l v e sr e s e a r c hp r e s e n t s i t u a t i o n 锄dt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n ；h 弱o u t i i n e dt h ep r e s e n tp a p e rm a i nr e s e a r c h c 0 n t c n t t h es e c o n dc h a p 毒e r i n t r - o d u c t i o np i e z o e l e c 砸c i t ym a t e r i a ib a s i cp h y s i c a lp i o p e i t ya n d i m p o r t a n tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r t r a n s f o r n l e dt h em e c h a n i s mt 0t h ep i e z o e i e c t r i c i 够m a t e r i a l e i e c t r i c a l m a c h i n e d ， t 0 c a j l 了o nt h ee i a b o i i a t i o n ， h a de x p o u n d e dt h ep i e z o e l e c t r i c 时 t u a t i o n sb a s i ct h e o 巧q u e s t i o n ，p r o v i d e dt h ei n s t l l j 甜i o nt h e o r e t i c a l l yf o rt h en e x ts t e p p r d d u c tl e v e l 卯ep i e z o e l e c t r i c i t yd r i v e r t sm o d e l l i n g 锄a l y s i s t h et h i r dc h a p t e r ，廿l | 0 u g l lt h et h e o r e t i c a i 觚a l y s i s ，o b t a i n sa c c u m u l a t e st h el e v e lt ) ，p e m 基寸p z t 驱动气动伺吸阀石】i 究 p i e z o e l e c t r i c i t y d r i v e r 。st r a n s 佬r 血n c t i o nm o d e i ；e s t a b l i s h e da c c u m u i a t e dt h el e v e lt y p e p i e z o e i e c t r i c i t yd r i v e rm u l t i l a y e rp i e z o e l e c t r i c i t ys 仃u c t u r et h e f i n i t ee l e m e n tm o d e i ，o b t a i n e d s t a t i c ， t h ed y n a m i cd u 妙a n a i y s i sr e s u l t ； t h e o r e t i c a l鲫a l y s i s sr e s u l ti n d i c a t e dt h a t a c c u m u i a t e st h el e v e l 砂p ep i e z o e i e c t r i c i t ) ，d r i v e rt oh a v et h eb i go u t p u tt om o v ea n dt oo u t p u t t h es t r e n g t ha sw e l la sh a st h eg o o dd y n 锄i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c t h ef o u n hc h a p t e r ，i nt h es u m m a 巧e x i s t n gf l e x i b l eh i n g ea n dt h em i c r 0d i s p i a c e m e n t e n i a 玛et h eo 略a n i z a t i o ni nt h ef o u n d a t i o n ，p r o p o s e dt h es i n g l ea x l ef l e x i b i eh i n g e sd e s i g i l m e t h o d ，d e c i i n e dt h ed i s p l a c e m e n tt ot h er e l e a s el e v e rt oe n l a r g et h ep r i n c i p l et 0c a r 巧o nt h e t h o r o u 曲r e s e a r c ha n a l y s i s a n a l y z e dm em i c r od i s p l a c e m e n tu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d t oe n l 嘴et h eo 略a n i z a t i o nt h e 朗l a 唱e m e n tf a c t o r ，t h ei n p u tr i g i d i t ya n dt h eo u t p u tr i g i d i 劬 a n a l y z e dt h em o d u i a rd e s i g np a r a m e t e rt oe n l a 唱et h eo 唱a n i z a t i o np e ：o 肿a n c et h ei n f l u e n c e ， a n dh 勰c a 仃i e do nt h ec o n t r a s t i v e 锄a l y s i sw i t ht h et h e o 巧r e s u l t ，o b t a i n e dt h em i c r 0 d i s p l a c e m e n tt oe n l a 唱et h eo 唱锄i z a t i o nt h ed e s i g np a r a m e t e r 锄dt h ep e r f o 咖a n c ei n n u e n c e i e l a t i o n s t h ef i f mc h 印t e r ，d e c l i n e dt h ed i s p l a c e m e n tu s i n gt h er e l e a s el e v e rt oe n l a 唱et h e o 唱a n i z a t i o nt od e s i g nt h ev a l v ec o r em o t i o n ，e s t a b “s h e dt h ev a l v ec o r em o v e m e n ts y s t e m m o d e l ，t h er e s e a r c hh a sa n a l y z e dt h es t a t i cs t a t c t h ed y n a m i cp r o p e r 吼d i s c o v e 豫dt h e i n n u e n c ep e r f i o n n a n c et h ep r i m a 拶f a c t o ra n dt h ei n n u e n c em i e ，o b t a i n e dt h ev a l v ec o r c d i s p l a c e m e n t 锄dt h ef i r s t o r d e rn a t u r a l 丘i e q u e n c y t h e6 n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l ti n d i c a t e d t h a ta c c u m u i a t e st h ei e v e it ) ，p ep i e z o e l e c 仃i c i 够d r i v e ru n i o ne i a s t i c i 妙b yp s tl5 0 7 8 0t 0 r e t u mt ot h er e l e a s el e v e r 够p ev a l v ec o r em o t i o nv a l v ec o r ed i s p l a c e m e n tw h i c ht h ed o u b l i n g p l a t ea c t u a t e st oa c h i e v e2 0 2 p m t h es i x t hc h a p t e r ，u s e sp s t l5 0 7 8 0t oa c c u m u l a t et h el e v e l 够p ep i e z o e l e c t r i c 埘d r i v e r c o o r d i n a t i o nr c l e a s cl e v e r 勺巾ed i s p l a u c e m e n tt 0e n l a 唱em eo 昭a n i z a l i o nt of o r mo n ek i n do f r e l e 鹤el e v e rt 0e n l a r g et h et r 锄s l a t i o nt y p ep i e z o e l e c t r i c i t ys e r v ov a l v e t h i sv a l v es e l e c t st h e v a l v ec o r eb u i l t i ns t t l j c t u r em e t h o d ，r c a l i z e st h ev a l v ec o r cb i d i r e c t i o n a lm o v e m e n tu s i n g s h 柚d i e d u i ：u s e dt h es t e e lb a l lc o 彻e c t i o nt 0r e d u c et h er a d i a lf o r c cw h i c ht h ev a l v ec o r e r e c e i v e d ； u s e dt h ev o u s s o i r 帅et 0a d j u s tt h eo 唱a n i z a t i o nt 0r e a l i z ct h ev a l v ec o m d i s p l a c e m e n t sf i n ec o n t r o i ，i m p r o v e dt h ev a l v e c o r et ot h ep r e c i s i o n ；u s e st h es c r e w v i c e - p r e t i 曲t e n i n gu pf 1 0 r c ea d j u s t e r m a ye x e r tt h ea d j u s t a b l ep r e t i g h t e n i n gu pf o r c et ot h e v a l v ec o r em o t i o n e n l a r g e st h e 仃a n s l a t i o n 妙p ep i e z o e l e c t r i c i 哆s e n ，ov a l v em o d e ls i m u l a t i o n w i t ht h ea m e s i ms o 行w a r et ot l l er e l e a s el e v e r ，t h es i m u l a t i o nr c s u l ti n d i c a t e dt h a tt h i sv a l v e v a l v ec o 他d i s p l a c e m e n ta c h i e v e s2 0 2 岬，u n d e rt h e7 b a rp r c s s u r e sm a x i m u mm a s sn o wi s 6 0 7 s ，s y s t e m sr e s p o n s et i m ei s8 m s 。n ek i n d0 fn e w 鲥v e a n da n a l y z e si nt h i sd r i v e u s e st h es j m p l et h ee n l a 曙锄e n to 曙a n i z a t i o n ， u t i l i z e sa m e s i mi ns o f t 、) v a r e sh c d m o d u i eb u i l dp i e z o e l e c t r i c i t ya i ro p e r a t e ds e “ov a l v c s s i m u l a t i o nm o d e l 锄dt ot h i sp n e u m a t i cv a l v e sb a s 沁s t a t i cs t a t e ，t h e d y n a m i cp r o p e r r t y m a vd 0t h e 缸r n l e rw o r ki nt h el a t e rr e s e 砌l ：c a 玎i e s0 nt h ep r e c i s ef l u i ds m d y t 0 h e p i e z o e l e c t r i c 时t r a n s l a t i o n锣p e a i r o p e r a t e d s e r v ov a l v e ，d y n 锄i c s a sw e i l a s t h e 册o d v n 锄i c sm o d e l i i n 岛a n du s e st h e 印p r o p r i a t ec o n t r o lm e t h o d e n h a n c e s i t sw o r kt h e s t a b i l t va n dt h er e l i a b 订时；t h ec h o i c e o rt h ed e s i g np e f f o 咖a n c eb e 舵rp i e z o e l e c t r l c l t ，d m 7 e r ， r e d u c e st h ep i e z o e l e c t r i c i t yd r i v e rt h ee q u i v a i e n tc a p a c 耐c o m e s t ob ep o s s i b l et 0f h r t h e r r a l s e t h ep i e z o e l e c t r i c 时a i ro p e r a t e ds e r v o v a l v e l ss p e e do fr e s p o n s e ；l n c r e a s e st h ep l e z o e i e c t r l c 时 “v e r so u t p u td i s p i a c e m e n ta n d t h ed r i v i n gi n n u e n c ec a u s e st h ep i e z o e l e c t d c i 够a l rv a l v e t 0 o b t a i nt h eb i g g e rd e l i v e 巧r a t e k e yw 。r d ：1 h ep i e z o e i e 州c i t y a c t u a t i 。n ， t h ea i r 。p e r a t e ds e n ，。v a l v e ，t h er e l e a s el e v e r e n l a r g e s ，a d j u s t e r p e r f o m a n c es i m u i a t i o n v 基- fp z t 驱动气动伺服阀研究 插图索引 图1 1 螺旋型玻璃灯管1 图1 2 压电陶瓷驱动器2 图1 3g m m 气动伺服阀3 图2 1 晶畴中的电偶极子。8 图2 2 压电陶瓷的压电效应8 图2 3 电压一位移曲线9 图2 4压电振子的振动模态1o 图2 5 压电振子的阻抗特性曲线1 0 图2 6l c 等效电路1 l 图2 7 乐电参数中轴的表示法1 2 图2 8 切应变使极化方向偏转示意图1 3 图2 9 压电陶瓷薄长晶片1 4 图3 1 积层式压电驱动器制备过程示意图1 7 图3 2 积层式压电驱动器结构原理1 7 图3 3 任意压电晶体1 9 图3 4 外加电压下压电陶瓷单方向的伸长1 9 图3 5 积层式压电驱动器分析模型2 0 图3 6 积层式压电驱动器等效电路模型2 4 图3 7 积层式压电驱动器中压电陶瓷片局放大图2 5 图3 8 积层式压电驱动器实体结构简图2 6 图3 9 积层式压电驱动器电压位移曲线( 有限元分析) 2 7 图3 1 0 陶瓷片厚度对位移输出特性的影响( 有限元) 2 7 图3 1 l 输出位移随片厚变化曲线( 有限元) 2 7 图3 1 2 积层式压电驱动器各阶模态2 9 图4 1 柔性铰链运动副3 0 图4 2 柔性铰链类型3l 图4 3 单轴柔性铰链参数图3 5 图4 4 缺l 半径r 、中心厚度t 、铰链宽度t 与转角刚度毛之间的关系3 6 硕十学他论文 图4 5 柔性铰链实体模型的结构参数图3 7 图4 6 圆形剖面柔性铰链有限元变形图与应力场分布图3 8 图4 7t 变化时有限元分析结果与理论结果对比3 8 图4 8r 变化时有限元分析结果与理论结果对比一3 8 图4 9 杠杆放大方式原理图3 9 图4 1o 杠杆放大机构受力分析3 9 图4 1 l 连杆长度l 对放大倍数a 的影响。4 0 图4 1 2 杠杆式微位移放大机构有限元模型4 0 图4 1 3 杠杆放大机构输入输出位移曲线。4 1 图4 1 4 输入刚度计算曲线。4 l 图5 1 杠杆式阀芯运动机构原理图4 2 图5 2 杠杆式阀芯运动机构刚度示意图4 4 图5 3 杠杆式阀j 芯运动机构有限元模型4 6 图5 4 杠杆式元阀芯运运机构理论值与有限元分析结果对比4 6 图5 5 杠杆式阀芯运动机构动力学模型4 6 图5 6 积层式压电驱动器刚度对跃响应特性的影响4 8 图5 7 积层式压电驱动器刚度峰值时间曲线4 9 图5 8 弹性回复板刚度对跃响应特性的影响4 9 图5 9 弹性回复板刚度峰值时间曲线4 9 图5 1 0 弹性回复板刚度上升时间曲线4 9 图5 11 阀芯位移幅值随频率变化曲线5 0 图6 1 压电气动伺服阀爆炸视图5 2 图6 2 弹性回复板的形状5 3 图6 3 楔块式调中机构结构原理示意图5 3 图6 4 预紧力调整机构结构图5 3 图6 5 压电气动伺服阀剖视图5 4 图6 6 机构及检测一体化装置5 4 图6 7 压电气动伺服阀结构原理图5 5 图6 客杠杆放大直动式压电伺服阀模型图5 5 图6 9 压电气动伺服阀阶跃响应仿真曲线5 6 图6 1o 压力增益仿真模型5 6 v 幂j p z t 驱动气动何服阀研究 图6 1 la 口压力增益仿真曲线5 7 图& l2b 口压力增益仿真曲线5 7 图6 1 3 流量增益仿真模型5 7 图6 1 4a 口流量增益仿真曲线5 7 图6 15b 口流量增益仿真曲线5 8 图6 16 静态仿真a 腔温度变化曲线5 8 图6 17 静态仿真b 腔温度变化曲线5 8 图6 18 加负载动态仿真模型5 9 图6 1 9 负载信号变化图5 9 图6 2 0a 口压力一流量时间变化曲线5 9 图6 2 lb 口压力一流量时间变化曲线6 0 图6 2 2 加负载a 腔温度变化曲线，6 0 图6 2 3 加负载b 腔温度变化曲线6 0 v m 硕十学位论文 附表索引 表3 1 积层式压电驱动器刚度有限元分析结果2 8 表3 2 积层式压电驱动器固有频率有限元分析结果2 9 表4 1 柔性铰链运动副性能指标对比( x ：差；：一般：o ：好) 3 l 表4 2 内部放大型微位移机构3 3 表4 3 外部放大微位移机构3 3 表5 1p s t l5 0 7 8 0 型积层式压电驱动器性能指标。4 3 表5 2 杠杆式阀芯运动机构主要结构参数表4 5 表5 - 3 杠杆式放大机构的静态性能参数表4 5 表5 4 杠杆式阀芯运动机构动力学模型参数表4 8 表5 5 杠杆式阀芯运动机构动各阶固有频率5 0 表5 6 阀芯运动机构的前四阶固有频率及振动模态5 0 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本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，即：学校有 权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，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州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。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：o 7 年石月9 日 日期：口7 年石月7 日 硕十学位论文 1 1 本课题的研究背景 第1 章绪论 传统的流体控制阀大量使用了电磁铁作为电一机械转换级，把电控制信号转换为机 械的位移，推动阀芯，实现通路的开关、切换或输出压力、流量的控制。电磁阀有价格 低廉，操作使用方便等优点：但其也存在体积大、功耗大、响应速度慢、存在发热及电 磁干扰等缺点，在一些应用场所受到了限制。 1 ) 按严格要求输出小流量的场合，传统的电磁阀由于受到电磁铁本身特性及机械摩 擦等因素的影响比较难以实现。 2 ) 需要快速响应的场合，比如高速柴油机的燃油喷射系统和精密的气动定位系统。 电磁阀是通过线圈产生的电磁力推动衔铁的机械运动来实现控制的。加快电磁铁的响应 速度往往意味着电磁阀功率的增加和使用寿命和可靠性的降低，这使得电磁阀在高速响 应场合的应用受到了限制。由于高速电磁阀对加工工艺要求很高，目前国内的高速电磁 铁和高速电磁阀主要依赖进口。 3 ) 对功耗、体积、抗干扰能力、安全性和可靠性有严格要求的场所。例如在防爆炸 要求严格的场所，传统的电磁阀( 其功耗大、发热量大甚至工作的瞬间会产生电火花) 是 不能使用的：再例如在有强磁场干扰的场合，传统的电磁阀可能工作不正常，严重的可 能会导致各种事故的发生。 童) 螺麓形荧毙灯t 图1 。1 螺旋型玻璃灯管 b ) 宝塔形蟪麓灯t 图1 1 是一种螺旋型的玻璃灯管，当前主要由工人对加热的玻璃灯管进行人工吹制， 这不仅使得工人t 作环境恶劣，而且产品质量也难以得到保证。若要实现螺旋型的玻璃 灯管的自动吹制，就需要通过阀门来精确控制进入螺旋型玻璃灯管的迸气量，而且所允 许通入的气体的流量是很小的，这是一般的电磁阀所难以胜任的。 随着现代工业自动化程度的发展，液压、气动技术与计算机技术、电子技术、新材 料技术的结合己成为液压、气动技术发展的必由之路。把压电材料、超磁致伸缩材料等 新型智能材料引入到控制阀中，是一项不同于传统技术的全新技术，必将引起阀技术的 重大变革，这也是阀技术发展的个新的方向。 基j fp z t 驱动气动伺服阀研究 1 2 新型智能材料在阀控制中的应用 1 2 1 新型智能材料及其驱动器简介 一超磁致伸缩驱动器 超磁致伸缩驱动器n 】【明阳儿4 】【明1 ( g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v ea c t u a t o r ，g m a ) 是在超磁致 伸缩材料g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ，g m m 的基础上发展起来的一种新型驱动器， 与常用的压电材料、形状记忆合金驱动器相比，超磁致伸缩驱动器具有响应速度快、应 变大、使用频带宽( 0 1 0 6 h z ) 、驱动电压低等优点，因而受到众多研究者和研究机构的 关注。所谓磁致伸缩材料是指因磁化状态的改变即当通过线圈的电流变化或是改变它与 磁体的距离时，其尺寸产生显著变化的铁磁性材料，而超磁致伸缩材料即是其尺寸变化 比目前的铁氧体等磁致伸缩材料大得多的一种磁致伸缩材料。 超磁致伸缩驱动器有一些显著的优点：结构简单：由于材料的磁致伸缩应变大，因而 驱动器的输出位移大：输出力大，带载能力强。但是，由于磁场的原因，可能产生电磁 泄漏，在某些场合对周围仪器产生不良影响。为了将移动工作台保持在一定的位置上， 有必要始终在线圈中通以一定的电流，功耗较大，且带来发热，成为精度变差的原因。 另外，由于发热，一般需要冷却装置，因而其结构较大。 二压电陶瓷驱动器 压电陶瓷驱动器是利用机电耦合效应，即逆压电效应或电致伸缩效应来产生微位移 的。图1 2 为压电陶瓷驱动器的两种常见形式，一种是采用长条形片状压电晶片，沿厚 度方向极化，在沿厚度方向施加电压时，晶体片沿长度方向作伸缩变形，如将这种晶体 片粘贴到控制对象匕其伸缩变形形成作用于控制对象的机械力，使控制对象产生一定的 位移。另一种是将几片圆片状压电晶体片组成叠堆，沿叠堆厚度方向施加交变电压时， 叠堆沿厚度方向也会产生变形，从而形成输出位移。 i y i 二i ( 砂长条形片状压电昌捧片( b ) 豳片状压电晶体片- 图1 2 压电陶瓷驱动器 利用机电耦合效应，可以实现很高的分辨率( 可达2 5 n m v ) ，而且机电耦合效应进 行的速度很快，来不及与外界交换热量，可以近似的认为是绝热过程，因此不存在发热 问题。利用机电耦合效应制成的微位移器，只需要控制外加电压，就可以容易的实现0 o l 朋乃至更高的定位精度。 压电陶瓷驱动器具有一系列优点，归纳如下：不需传动机构，位移控制精度可优于 0 0 1 朋：响应速度快，单片压电陶瓷的响应时间可以达到微秒级别：无机械吻合间隙， 可实现电压随动式( s e r v o ) 位移控制：有较大的力输出，约为3 9 k n c m 2 ：功耗低，当使物 体保持一定位置时，器件几乎无功耗：它是一种固体器件，易与电源、位移传感器、微 机等实现闭环自动控制，且比超磁致伸缩驱动器和形状记忆合金等其它微位移器的体积 要小的多。但它所需驱动电压高，输出位移较小，一般为几十微米。压电材料还有迟滞、 2 硕十学位论文 非线性、蠕变等不良特性，给控制带来了一定的困难。 三形状记忆合金驱动器 形状记忆合金盯鄙阳1 ( s h a p em e m o r ya 1 1 0 y ，s m a ) 是近几十年发展起来的一种新型材 料，具有“智能”特性。它既有传感功能( 感知并接收应力、应变、电、热等信号) ，又 具有驱动功能( 对激励产生响应) ，而且形状记忆合金具有源于热弹性马氏体相变的所谓 形状记忆效应，可根据热、力、电各种物理参变量之间的关系对响应进行主被动控制和 被动控制。 形状记忆合金的驱动原理是：处于低温马氏体状态的s 姒，在外力作用下发生变形 后，如果对其加热，当加热温度超过马氏体