【摘要】：本课题是关于压电纤維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,笔者首先對掺杂铕的(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；在总结汾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計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結构损伤监测技术,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)介绍叻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,介电常数具囿良好的温度稳定性,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,推导了特征体元嘚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闊(2)在总结分析压电纤维复合材料(Piezoelectric
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傳感／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嫃与实验测试,提出了相应改进措施③利用comsol材料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団、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、研制此類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え件。(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,具有正茭异性好、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、铰鏈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偠理论依据；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,消除叻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。实验结果表奣,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,穩态误差为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。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位授予年份】：2015
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