基于PZT驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)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(jī)械轉(zhuǎn)換級(jí)，將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械的位移，推動(dòng)閥芯，實(shí)現(xiàn)通路的開(kāi)關(guān)、切換或輸出壓力、流量的控制。電磁閥有價(jià)格低廉，操作使用方便等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，在嚴(yán)格要求輸出小流量的場(chǎng)合；需要快速響應(yīng)的場(chǎng)合；對(duì)功耗、體積、抗干擾能力、安全性和可靠性有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合應(yīng)用受到了限制。 針對(duì)電磁鐵作為閥驅(qū)動(dòng)器的不足，本論文以新型的閥芯驅(qū)動(dòng)裝置—積層式壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)杠桿

2、式柔性鉸鏈作為研究對(duì)象。積層式壓電驅(qū)動(dòng)器有不需傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、位移控制精確、響應(yīng)速度快、無(wú)機(jī)械吻合間隙、有較大的力輸出和器件幾乎無(wú)功耗的優(yōu)點(diǎn)。提出利用積層式壓電驅(qū)動(dòng)器為動(dòng)力源，運(yùn)崩杠桿放大原理對(duì)積層式壓電驅(qū)動(dòng)器的位移進(jìn)行放大，由此構(gòu)造出壓電型氣動(dòng)伺服閥，并從理論與仿真兩方面進(jìn)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(dòng)器在閥控制中的優(yōu)點(diǎn)及運(yùn)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?jī)?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(duì)壓電材料電機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)理進(jìn)行了論述，闡明了壓電驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)理論問(wèn)題，為下一步積層式壓電驅(qū)動(dòng)器的建模分析提供理論上的指導(dǎo)。 第三章，通過(guò)理論分析，得出積層式壓電驅(qū)動(dòng)器的傳遞函數(shù)模型；建立了積層式壓電驅(qū)動(dòng)器多層壓電結(jié)構(gòu)的有限元模型，得到靜、動(dòng)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(dòng)器具有較大的輸出位移與輸出力以及具有

4、良好的動(dòng)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(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了單軸柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)方法，對(duì)杠桿式微位移放大原理進(jìn)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(jī)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(duì)放大機(jī)構(gòu)性能的影響，并與理論結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，得到了微位移放大機(jī)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了閥芯運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，建立了閥芯運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)模型，研究分析了靜

5、、動(dòng)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(dòng)器結(jié)合彈性回復(fù)板驅(qū)動(dòng)的杠桿式閥芯運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的閥芯位移達(dá)到202μm。 第六章，采用PSt150/7/80型積層式壓電驅(qū)動(dòng)器配合杠桿式位移放大機(jī)構(gòu)形成一種杠桿放大直動(dòng)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(shí)現(xiàn)閥芯的雙向運(yùn)動(dòng)；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(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了閥

6、芯位移的精細(xì)調(diào)整，改善了閥芯的對(duì)中精度；采用螺旋副預(yù)緊力調(diào)整裝置，可以對(duì)閥芯運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)施加可調(diào)的預(yù)緊力。用AMEsim軟件對(duì)杠桿放大直動(dòng)式壓電伺服閥模型仿真，仿真結(jié)果表明，該閥閥芯位移達(dá)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(shí)間為8ms。 針對(duì)新型壓電氣動(dòng)閥的設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地提出一種新的驅(qū)動(dòng)裝置，并在該驅(qū)動(dòng)裝置中分析采用最簡(jiǎn)單的放大機(jī)構(gòu)，運(yùn)用AMESim軟件中的HCD模塊搭建壓電氣動(dòng)伺服閥的仿真模型并