压电纤维微驱动器的基础研究及其应用

发布时间：2017-08-14 20:37

  本文关键词：压电纤维微驱动器的基础研究及其应用

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【摘要】：本课题是关于压电纤维微驱动器的基础研究及其应用,针对目前压电纤维微驱动器存在的体积较大、精度低和缺乏适合于产业化的成套制造技术等问题,笔者首先对掺杂铕的(K0.5Na0.5)1-3xEuxNbO3陶瓷(KNN)做了简单剖析；随后研究了1%铕掺杂的KNN (KNN1Eu)无铅压电纤维和1-3型压电纤维复合材料的制备技术和工艺,并对其做了简要分析；在总结分析压电纤维复合材料自身特点和制作工艺基础上,对正交异性压电纤维复合材料(Orthotropic Piezoelectric Fiber Composites, OPFC)传感/驱动元件展开相关研究；随后根据前面的研究工作设计了最终的六自由度微并联机构平台,并对六自由度微并联平台的控制系统进行了研究。本课题的研究对发展我国运动平台驱动技术和工程结构损伤监测技术,提升我国智能材料及其器件的水平,都具有重要的经济和社会价值。本论文作者的具体研究工作和取得的成果如下：(1)介绍了采用传统固相反应法制备铕掺杂的KNN陶瓷,研究了该体系的微观结构、形貌与介电、铁电性能之间的关系。通过实验分析得出：①随着铕元素掺杂量的逐渐增加,X-射线衍射峰出现宽化、压平等现象,晶粒随着铕的增加逐步细化。②铕掺杂达到3%时,在高温区域很宽的范围内,介电常数具有良好的温度稳定性,稀土元素铕的掺杂能有效提高材料的压电性能。③采用塑性聚合物的方法制备了KNN1Eu无铅压电纤维,并采用改进的排列-浇注法制备了1-3型压电纤维复合材料。利用均匀场和细观力学理论,建立了等效力电模型,依靠压电相和聚合物相两相间的本构关系,推导了特征体元的等效力电参数。铕掺杂的无铅KNN压电陶瓷的出现,一方面有效的提高了材料的压电性能,另一方面将无铅压电陶瓷应用于压电纤维微驱动器。1-3型微纳米压电纤维复合材料具有良好的正交异性传感／驱动性能,可以看出这一正交异性特性在结构损伤AE检测和微驱动器中应用前景非常广阔。(2)在总结分析压电纤维复合材料(Piezoelectric Fiber Composites, PFC)自身特点和制作工艺基础上,做了如下工作：①建立了OPFC传感／驱动元件的理论模型。②制作了不同尺寸的OPFC传感／驱动元件,从其制作工艺、驱动性能测试装置构建和驱动性能实验等方面进行了详细介绍,并就其正交异性、灵敏度等驱动性能进行仿真与实验测试,提出了相应改进措施。③利用COMSOL有限元仿真软件建立了OPFC传感／驱动元件模型,并进行有限元分析,从压电纤维复合材料几何尺寸、组分材料压电相与聚合物相的材料特性、两相材料各个参量等对OPFC传感／驱动元件的影响进行分析,同时探索出一条设计、开发、研制此类传感元件的较成熟技术,为设计OPFC传感／驱动元件、选择压电相和聚合物相材料提供理论指导,为工程结构检测和微驱动器平台提供优质功能元件。(3)提出将一种无铅压电陶瓷新材料制备成的OPFC压电纤维作为微驱动源并应用于六自由度微并联运动平台的研发,精度可达纳米量级,具有正交异性好、行程小,便于控制等特点；完成了六自由度微并联机构平台的三维实体建模设计,然后利用软件对微并联平台的速度、加速度、铰链转角变化等进行运动学仿真分析,得到驱动关节在平台运行时的运动学特性曲线以及其各驱动关节的受力情况,为后面的控制系统提供了重要理论依据；将压电纤维微驱动器应用到微并联平台上,将实际运动副用弹性铰链代替,通过弹性铰链的弹性变形实现终端平台的微运动,消除了机械摩擦和间隙摩擦,提高了机构的精密性。(4)针对微平台,提出了微平台控制系统的总体构成方案,并进行了具体的控制系统硬件设计,结合工程常用的PID控制,运用自适应定律调整PID 3个关键控制参数,设计了基于DFNN前馈控制器与PID相结合用压电控制的闭环控制器的微动实验平台。实验结果表明,该控制器极大提高了微动平台的静动态性能,改善了位置控制的精确性。由实验可知：压电微动平台输出位移达到10μm,耗时0.05 s；位移超调量小,稳态误差为0,该控制器对微动平台的静动态性能有极大提高；当输入正弦信号时,跟踪误差的最大值是0.21μm,大大改善了位置控制的精确性。
【关键词】：无铅陶瓷 压电纤维复合材料 正交异性 微驱动器 六自由度微并联平台 静动态性能 COMSOL仿真
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ174.758.21;TH703
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-18
• 第1章 绪论18-32
• 1.1 国内外压电复合材料的研究进展18-20
• 1.1.1 国内外研究现状18-19
• 1.1.2 1-3型压电纤维复合材料的研究现状19-20
• 1.2 国内外微驱动器的研究进展20-23
• 1.2.1 国外研究现状20-22
• 1.2.2 国内研究现状22-23
• 1.3 六自由度微并联机构平台的国内外研究现状23-24
• 1.3.1 国外研究现状23
• 1.3.2 国内研究现状23-24
• 1.4 六自由度微并联机构平台的应用24-28
• 1.4.1 微并联机构平台在空间科学领域的应用24-26
• 1.4.2 微并联机构平台在生物医学工程领域的应用26-27
• 1.4.3 微并联机构平台在工业上的应用27-28
• 1.5 六自由度微并联机构平台构型和运动副的研究现状28-29
• 1.6 本论文的主要研究内容29-32
• 第2章 压电纤维复合材料的制备及性能分析32-62
• 2.1 引言32-34
• 2.2 无铅压电陶瓷的制备实验及其电学性能34-43
• 2.2.1 实验过程34
• 2.2.2 无铅压电陶瓷的实验结果与讨论34-43
• 2.3 压电纤维和1-3型压电复合材料的制备方法43-46
• 2.4 陶瓷纤维/环氧树脂1-3型压电复合材料的制备和表征46-47
• 2.5 1-3型压电复合材料的电学性能47-49
• 2.6 压电纤维复合材料等效力电模型和等效参数的研究49-56
• 2.6.1 特征体元49-50
• 2.6.2 力电等效特性50-56
• 2.7 压电纤维复合材料传感/驱动特性测试56-60
• 2.7.1 压电纤维复合材料传感性能测试56-58
• 2.7.2 压电纤维复合材料的驱动性能试验58-60
• 2.8 本章小结60-62
• 第3章 OPFC压电纤维微驱动器的建模与仿真研究62-86
• 3.1 引言62-63
• 3.2 正交异性压电纤维微驱动器的制备与设计63-70
• 3.2.1 OPFC微驱动器结构组成63
• 3.2.2 OPFC微驱动器的制备工艺63-64
• 3.2.3 OPFC微驱动器的驱动特性实验研究64-68
• 3.2.4 OPFC压电纤维微驱动器的正交异性研究68-70
• 3.3 有限元建模70-73
• 3.3.1 基本假设70-71
• 3.3.2 建立模型71
• 3.3.3 物理设定71-72
• 3.3.4 网格单元的划分72
• 3.3.5 求解并进行后处理72-73
• 3.4 压电纤维复合材料结构尺寸大小对微驱动器性能影响的有限元分析73-76
• 3.4.1 压电纤维直径a对OPFC压电纤维微驱动器的性能分析73-74
• 3.4.2 叉指式电极间距b对OPFC压电纤维微驱动器的性能分析74-75
• 3.4.3 压电纤维间隔c对OPFC压电纤维微驱动器的性能分析75-76
• 3.4.4 分支电极宽度d对压电纤维微驱动器的性能分析76
• 3.5 组分材料特性对OPFC微驱动器性能影响的有限元分析76-81
• 3.5.1 压电纤维相特性对OPFC微驱动器驱动性能的影响分析77-79
• 3.5.2 聚合物相材料对OPFC压电纤维元件的驱动性能影响分析79-81
• 3.6 两相材料各个参量对OPFC元件正交异性影响的分析81-84
• 3.6.1 压电相各个参量对OPFC元件正交异性的影响分析81-83
• 3.6.2 聚合物相各个参量对OPFC元件正交异性的影响分析83-84
• 3.7 本章小结84-86
• 第4章 六自由度微并联平台的结构设计与性能分析86-104
• 4.1 六自由度微并联平台机械结构设计86-90
• 4.1.1 微并联平台的机构设计目标87
• 4.1.2 微并联平台构型的选择87-88
• 4.1.3 微并联平台构件参数的确定88-89
• 4.1.4 微并联平台工作空间理论求解89-90
• 4.2 六自由度微并联平台空间机构位置分析90-96
• 4.2.1 坐标系的建立90-91
• 4.2.2 六自由度微并联平台位姿反解91-92
• 4.2.3 并联平台位姿正解92-93
• 4.2.4 影响微并联平台工作空间的因素93-95
• 4.2.5 基于Matlab的六自由度微并联机构的工作空间仿真95-96
• 4.3 六自由度微并联平台的运动学仿真分析96-99
• 4.4 六自由度微并联平台的动力学仿真分析99-102
• 4.5 本章小结102-104
• 第5章 六自由度微并联平台控制系统设计及实验验证104-122
• 5.1 六自由度微并联平台控制系统设计104-108
• 5.1.1 驱动模块选择105-106
• 5.1.2 传感模块设计106-108
• 5.2 压电纤维驱动器108-110
• 5.3 六自由度微并联平台控制模型建立110-115
• 5.3.1 迟滞模型(Hysteresis Model)111-112
• 5.3.2 基于动态模糊神经网络的PI模型112-114
• 5.3.3 微进给动态神经网络控制器114-115
• 5.4 平台试验与分析115-120
• 5.4.1 位移测试与解耦试验115-118
• 5.4.2 并联平台控制方法试验118-120
• 5.5 本章小结120-122
• 第6章 总结和展望122-126
• 6.1 总结122-124
• 6.2 展望124-126
• 参考文献126-138
• 致谢138-140
• 博士期间发表论文与获奖及参加项目情况140-141

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本文编号：674622