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        壓電驅(qū)動(dòng)的發(fā)展應(yīng)用研究

        2017-11-28 19:00:13于文鑫接勐孫東
        科技經(jīng)濟(jì)市場 2017年9期

        于文鑫+接勐+孫東

        摘要:隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展,工程領(lǐng)域?qū)︱?qū)動(dòng)裝置的技術(shù)更新有了更新的要求。壓電作為一種新型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)元件,有著獨(dú)特的優(yōu)勢,不斷被科研工作者研究應(yīng)用,被應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中的各個(gè)領(lǐng)域中,以提供高頻、小幅、精確加載的能力。本文闡述壓電驅(qū)動(dòng)的發(fā)展?fàn)顩r,舉例說明壓電驅(qū)動(dòng)在高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)中的應(yīng)用。

        關(guān)鍵詞:壓電式;疲勞試驗(yàn)機(jī);高頻

        疲勞試驗(yàn)機(jī),作為一種測試材料力學(xué)性能的測試工具,不斷被科研人員應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),做材料在交變應(yīng)力作用下發(fā)生往復(fù)的拉伸變形、壓縮變形或拉、壓交替的變形,形成在未達(dá)到屈服應(yīng)力條件下的破壞失效一疲勞失效。而提供交變應(yīng)力往復(fù)變形的檢測儀器稱為疲勞試驗(yàn)機(jī)。

        疲勞試驗(yàn)機(jī)優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)高的負(fù)載、高頻率、消耗低,從而大大減少了試驗(yàn)的周期,降低試驗(yàn)費(fèi)用,提高試驗(yàn)效率,成果顯著。疲勞試驗(yàn)機(jī)主要用于測定試件及機(jī)構(gòu)零件的拉伸變形、壓縮變形、扭轉(zhuǎn)變形、彎曲變形負(fù)荷下的試件材料的使用壽命和疲勞特性,觀察其疲勞斷裂后的端口,判定其材料特性、屬性。

        科技的不斷進(jìn)步,試驗(yàn)效率提高,試驗(yàn)周期不斷縮短,高頻試驗(yàn)機(jī)不斷被更新研制。而作為高頻試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)力提供單元——驅(qū)動(dòng)單元,不斷更新改進(jìn)。壓電驅(qū)動(dòng),利用壓電中振子與系統(tǒng)共振的現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)高頻率(200Hz以上)、小振幅的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置。應(yīng)用于疲勞試驗(yàn)機(jī)中,形成壓電高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)微型化、高頻化、高精度化。而壓電疲勞試驗(yàn)機(jī)中作為動(dòng)力輸出單元,壓電驅(qū)動(dòng)裝置至關(guān)重要。

        1壓電驅(qū)動(dòng)的國外發(fā)展現(xiàn)狀

        壓電體,又稱壓電晶體,常用壓電體包括鋯鈦酸鉛壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛鑭壓電陶瓷、鈮鎂鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。壓電體是科學(xué)技術(shù)發(fā)展中相對完善、優(yōu)秀的功能性材料之一。因其變形精準(zhǔn)可達(dá)納米級、響應(yīng)時(shí)間小于0.1ms、體積小等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用到需要高精度加載、高頻率響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝備上。

        國外對壓電驅(qū)動(dòng)裝置的研究相比中國早些,日本長崗技大研制一種兩個(gè)坐標(biāo)軸——X軸、z軸產(chǎn)生和在u方向產(chǎn)生轉(zhuǎn)角位移的壓電式微型驅(qū)動(dòng)器,日本生產(chǎn)技術(shù)研究所研制了兩種仿人步態(tài)直線位移式驅(qū)動(dòng)器,日本的橫土真一等人設(shè)計(jì)研究一種兩組壓電驅(qū)動(dòng)裝置疊堆在一起,帶動(dòng)一個(gè)錐形閥芯,形成了一個(gè)新的結(jié)構(gòu)——二位三通數(shù)字閥。德國Karlsruhe大學(xué)研制了幾種用于機(jī)器人單元的壓電驅(qū)動(dòng)裝置。美國加利福尼亞大學(xué)研制了用于微飛行昆蟲振翅電壓驅(qū)動(dòng)裝置。意大利Catania大學(xué)研制了三種原型的PLIF。

        2壓電驅(qū)動(dòng)的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

        我國對于壓電驅(qū)動(dòng)裝置研究起步相對比較晚,隨著科學(xué)發(fā)展,對于壓電驅(qū)動(dòng)裝置的研究越來越重視。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所研制壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)用于精密工作臺(tái)當(dāng)中。天津大學(xué)將壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)用于微給進(jìn)工作當(dāng)中,清華大學(xué)將壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)用于蠕動(dòng)式x-y-o的工作臺(tái)中。哈爾濱大學(xué)將壓電裝置應(yīng)用到一種旋轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)器中。吉林大學(xué)將壓電裝置應(yīng)用到微型馬達(dá)中。上海交通大學(xué)將壓電驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)用到管道機(jī)器人中。

        3疲勞試驗(yàn)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

        疲勞試驗(yàn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置類型大概分為兩類:一種是以電磁力為驅(qū)動(dòng)力,稱為電磁式;另一種是液壓系統(tǒng)為動(dòng)力系統(tǒng),稱為電液伺服式。電液伺服式因其輸出載荷較大,工作平穩(wěn),可靠,主要測試大型的構(gòu)件或者是能承受較大載荷的構(gòu)件,對其進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。但由于電液伺服式疲勞試驗(yàn)機(jī)所能提供較低的頻率,使其疲勞試驗(yàn)時(shí)間過長,試驗(yàn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需求。電磁式疲勞試驗(yàn)機(jī)有著響應(yīng)速度快、位移動(dòng)態(tài)大等特點(diǎn)。但現(xiàn)有的疲勞試驗(yàn)機(jī)因?yàn)槠潋?qū)動(dòng)系統(tǒng)裝置的受磁阻和阻抗的影響,及時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能達(dá)到共振現(xiàn)象,但也提供不了高于200Hz的高頻率動(dòng)力源。

        因此,新的驅(qū)動(dòng)裝置被應(yīng)用到疲勞試驗(yàn)機(jī)中——壓電驅(qū)動(dòng)裝置。形成以壓電晶體為驅(qū)動(dòng)源的高頻率的疲勞試驗(yàn)機(jī)。運(yùn)用壓電晶體振動(dòng),產(chǎn)生系統(tǒng)共振現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)疲勞試驗(yàn)機(jī)的高頻率往復(fù)運(yùn)動(dòng)和振幅位移較小的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,從而實(shí)現(xiàn)了對疲勞試驗(yàn)的高頻率、高效率、實(shí)驗(yàn)周期短等特點(diǎn)。

        4總結(jié)

        通過對國內(nèi)外的壓電驅(qū)動(dòng)研究現(xiàn)狀的闡述,將壓電驅(qū)動(dòng)裝置分為:結(jié)構(gòu)的組合——疊加型、振子的增加—雙晶片型、形狀的設(shè)計(jì)——鈸型、虹型和彈珠型。

        簡述壓電驅(qū)動(dòng)主要應(yīng)用的領(lǐng)域如下:

        機(jī)械行業(yè)領(lǐng)域:精密機(jī)床的給進(jìn),精準(zhǔn)度比較高,鎖緊裝置、振蕩器等。

        精密器具領(lǐng)域:自動(dòng)化程度較高的焊接機(jī)械手、水下機(jī)器人、精密印刷機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

        光學(xué)方面領(lǐng)域:在激光測量系統(tǒng)中的調(diào)制器、干涉及全息測量、光導(dǎo)纖維的定位。

        醫(yī)療與生物學(xué)領(lǐng)域:生物材料微型操作器、震蕩發(fā)聲器、腎結(jié)石碎石治療機(jī)。

        通過壓電驅(qū)動(dòng)發(fā)展的研究,舉例說明將其應(yīng)用到疲勞試驗(yàn)機(jī)上,改進(jìn)了現(xiàn)有的兩大類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的模式(電磁式、電液伺服式)。壓電驅(qū)動(dòng)裝置的應(yīng)用,極大解決了疲勞試驗(yàn)機(jī)的高頻率化、輕量化、高精度化。為疲勞試驗(yàn)的測試工具的發(fā)展和測試手段的提高提供了良好的動(dòng)力。

        我國壓電驅(qū)動(dòng)裝置的研究相對比較落后,科研發(fā)展研究與生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用相對脫節(jié),在生產(chǎn)實(shí)際中運(yùn)用壓電驅(qū)動(dòng)裝置領(lǐng)域比較窄,應(yīng)拓寬應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮壓電驅(qū)動(dòng)裝置的特色、優(yōu)勢,使得產(chǎn)、學(xué)、研一體化endprint

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