基于PZT驅(qū)動氣動伺服閥研究.pdf

1、傳統(tǒng)流體控制閥大量使用電磁鐵作為電—機械轉(zhuǎn)換級，將控制信號轉(zhuǎn)換為機械的位移，推動閥芯，實現(xiàn)通路的開關(guān)、切換或輸出壓力、流量的控制。電磁閥有價格低廉，操作使用方便等優(yōu)點，但其存在體積大、功耗大、響應(yīng)速度慢、發(fā)熱和受電磁干擾等缺點，在嚴格要求輸出小流量的場合；需要快速響應(yīng)的場合；對功耗、體積、抗干擾能力、安全性和可靠性有嚴格要求的場合應(yīng)用受到了限制。 針對電磁鐵作為閥驅(qū)動器的不足，本論文以新型的閥芯驅(qū)動裝置—積層式壓電驅(qū)動器驅(qū)動杠桿

2、式柔性鉸鏈作為研究對象。積層式壓電驅(qū)動器有不需傳動機構(gòu)、位移控制精確、響應(yīng)速度快、無機械吻合間隙、有較大的力輸出和器件幾乎無功耗的優(yōu)點。提出利用積層式壓電驅(qū)動器為動力源，運崩杠桿放大原理對積層式壓電驅(qū)動器的位移進行放大，由此構(gòu)造出壓電型氣動伺服閥，并從理論與仿真兩方面進行深入研究。 論文主要內(nèi)容如下： 第一章，概括本論文研究背景；分析了傳統(tǒng)閥的應(yīng)用限制；綜述了新型智能材料及其驅(qū)動器在閥控制中的優(yōu)點及運用；概述了壓電閥的研

3、究現(xiàn)狀及發(fā)展方向；概述了本論文主要研究內(nèi)容。 第二章，介紹壓電材料的基本物理性質(zhì)及其中重要的性能參數(shù)。對壓電材料電機轉(zhuǎn)換機理進行了論述，闡明了壓電驅(qū)動的基礎(chǔ)理論問題，為下一步積層式壓電驅(qū)動器的建模分析提供理論上的指導(dǎo)。 第三章，通過理論分析，得出積層式壓電驅(qū)動器的傳遞函數(shù)模型；建立了積層式壓電驅(qū)動器多層壓電結(jié)構(gòu)的有限元模型，得到靜、動態(tài)工作的分析結(jié)果；理論分析的結(jié)果表明，積層式壓電驅(qū)動器具有較大的輸出位移與輸出力以及具有

4、良好的動態(tài)響應(yīng)特性。 第四章，在總結(jié)現(xiàn)有的柔性鉸鏈及微位移放大機構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了單軸柔性鉸鏈的設(shè)計方法，對杠桿式微位移放大原理進行了深入的研究分析。利用有限元方法分析了微位移放大機構(gòu)的放大倍數(shù)、輸入剛度及輸出剛度，分析了典型結(jié)構(gòu)參數(shù)對放大機構(gòu)性能的影響，并與理論結(jié)果進行了對比分析，得到了微位移放大機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能的影響關(guān)系。 第五章，利用杠桿式微位移放大機構(gòu)設(shè)計了閥芯運動機構(gòu)，建立了閥芯運動的系統(tǒng)模型，研究分析了靜

5、、動態(tài)性能，找出影響性能的主要因素及影響規(guī)律，得到了閥芯位移與一階固有頻率。有限元分析結(jié)果表明，由PSt150/7/80型積層式壓電驅(qū)動器結(jié)合彈性回復(fù)板驅(qū)動的杠桿式閥芯運動機構(gòu)的閥芯位移達到202μm。 第六章，采用PSt150/7/80型積層式壓電驅(qū)動器配合杠桿式位移放大機構(gòu)形成一種杠桿放大直動式壓電伺服閥。該閥采用閥芯內(nèi)置的結(jié)構(gòu)方式，利用單疊堆實現(xiàn)閥芯的雙向運動；采用鋼球連接減小了閥芯所受的徑向力；采用楔塊式調(diào)中機構(gòu)實現(xiàn)了閥

6、芯位移的精細調(diào)整，改善了閥芯的對中精度；采用螺旋副預(yù)緊力調(diào)整裝置，可以對閥芯運動機構(gòu)施加可調(diào)的預(yù)緊力。用AMEsim軟件對杠桿放大直動式壓電伺服閥模型仿真，仿真結(jié)果表明，該閥閥芯位移達到202μm，在7bar壓力下的最大質(zhì)量流量為6．07g/s，系統(tǒng)的響應(yīng)時間為8ms。 針對新型壓電氣動閥的設(shè)計創(chuàng)新性地提出一種新的驅(qū)動裝置，并在該驅(qū)動裝置中分析采用最簡單的放大機構(gòu)，運用AMESim軟件中的HCD模塊搭建壓電氣動伺服閥的仿真模型并