基于压电双晶片的选针执行器的形变分析.pdf

第2 8 卷第5 期 2 0 0 7 年5 月 纺织学报 J o u m a lo fT b x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 8N o 5 M a v2 0 0 7 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 l ( 2 0 0 7 ) 0 5 一0 1 1 3 一0 4 基于压电双晶片的选针执行器的形变分析 袁嫣红，齐玲玲，方志斌 ( 浙江理工大学浙江省现代纺织装备技术重点实验室，浙江杭州3 1 0 0 1 8 ) 摘要压电陶瓷提花选针执行器的形变特性是提花执行装置及其控制系统设计的一个关键参数，根据电子提花 机基于压电双晶片选针执行器的基本结构，选取表面粘贴压电元件的悬臂粱，利用有限元分析压电问题的流程方 法，分析了中间弹性梁和压电层性质对执行器形变的影响，对外加电压、弹性梁的弹性模量和压电片厚度等与选针 执行器的性能关系进行了定量分析，为选针执行器结构的选择及应用提供了理论依据和设计方法，并进一步通过 实验验证了压电双晶片作为选针执行器的可行性和有效性。 关键词压电双晶片；选针执行器；形变；有限元；提花机构 中图分类号：髑1 8 3 1 4文献标识码：A A n a l y s i so fd e n e c t i o no fn e e 珊e - s e l e c t i n ga c t u a t o rb a s e do np i e z o e l e c t r i cb i m o r p h Y U A NY a n h o n g ，Q Iu n 出i n g ，F A N Gz h i b i n ( 狮昭鳓# 泌蒯研如6 。地6 嘭铲舶灰m 死砖如娥融i M y ，易棚s d - 乃磅砜矗榔匆，呼幻，觋哆施翟 3 1 0 0 1 8 ，觋流口) A b s 咖c tT h ed e n e c t i o np r o P e n yo fp i e z o e l e c t r i cc e m I I l i c sn e e m e s e l e c t i n ga c t u a t o ro fj a c q u a r di sak e y p a m m e t e ri nt l ed e s i g n0 fi t 8s t m c t u r ea n dc o n t m ls y s t e m B a s e do nt h eb a s i cs t r u c t u r eo fj a c q u a r d 7 sn e e d l e s e l e c t i n ga c t u a t o rw i t hb i m o r p h ， t h ec a n t i l e v e rb e a mm o d e lw i t hb i m o l l P hc e l l ss t i c k i n go nb o t hs i d e si s c o n s i d e r e d 7 r h ea c t u a t o rd e f 0 n a t i o ni sa n a l y z e du s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( F E M ) r e g a I d i n gt h ep r o c e s st o s o l v ep i e z o e l e c t r i ci s s u e T h ei n n u e n c eo ft h em i d d l ee l a s t i cb e a ma n dt h en a t u r eo fp i e z o e l e c t r i cl a y e ro nt h e d e n e c t i o na c t u a t o ri ss t u d i e d ，a n dt h ec o n 屯l a t i o no ft h ea p p l i e dv o h a g e ，e l a s t i cn l o d u l u so ft h eb e a m ，a n d t h i c k n e s so fp i e z o e l e c t r i el a y e ri sa n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l y ，t h u sp m v i d i n gat h e o r e t i c a lb a s i sa n dd e s i g nm e t h o d f b rt h es e l e c t i o na n da p p l i c a t i o no fn e e d l e s e l e c t i n ga c t u a t o r F u r t h e 瑚o I e ， e x p e r i m e n tr s u l t ss h o wt h a t t h e p i e z o e l e c t 打cb i m o r p hu s e da sn e e d l es e l e c t i n ga c t u a t o ri sf 宅a s i b l ea n de f I l e c t i V e K e yw o r d Sp i e z o e l e c t r i cb i m o r p h ；n e e d l e s e l e c t i n ga c t u a t o r ；d e n e c t i o n ；f i n i t ee l e m e n t ；j a c q u a r dm e c h a n i s m 压电双晶片的压电效应是一种机电耦合效应， 是机械能与电能之间的转换。利用压电陶瓷的逆压 电效应来推动机械装置的压电双晶片是近年来自动 生产装置上的一个新的发展方向。选针执行器是 针织、机织提花机实现提花功能的关键部件，多年来 国内织机大多还是采用电磁铁式选针执行器心，即 由电磁铁的吸合来控制选针。长期运作会存在高噪 声、高能耗、低散热效率、电磁干扰强等缺陷，安装调 整控制也比较困难。而压电陶瓷晶片有很多优点， 其响应频率快，频率达到兆级，驱动电流小，发热极 少，没有电磁干扰J ，国际上该装置已经进入工业应 用，从第九届中国国际纺机展可以看出压电陶瓷电 子选针技术在针织机上已被广泛应用¨。国内外多 种针织大圆机都采用了压电陶瓷材料作为选针单 元，如具有代表性的德国德乐u c c 5 4 8 电脑提花圆 纬机5 j ，经纬纺织机械股份有限公司生产的G E l 8 7 D 单面电脑提花机。6 。等都采用了日本w A c 压电陶瓷 选针器。尽管压电陶瓷在针织提花机上得到了较广 泛的应用，但在机织提花机上的应用研究还比较少， 由于2 种提花机构结构不同，对压电陶瓷的要求也 有所差别。本文主要研究用于机织提花机构的压电 陶瓷晶片的形变特性，为机织提花机选针执行器的 收稿日期：2 0 0 6 一0 9 2 8修回日期：2 0 0 7 一0 1 一1 4 基金项目：国家自然科学基金资助项目( 5 0 5 7 5 2 1 0 ) ；浙江省自然科学基金资助项目( Y 1 0 6 5 9 2 ) 作者简介：袁嫣红( 1 9 6 7 一) 女，副教授，硕士。主要从事纺织装备机电一体化研究。E m a j l ：y y h z s t u e d u e n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark · l1 4 · 纺织学报第2 8 卷 设计提供理论依据和设计方法。 1 压电双晶片执行器结构与原理 双晶片结构是将2 片压电片双面对称粘贴在 l 块弹性梁上，为了能够达到较大形变，选用悬臂梁 的变形结构为一端夹持，一端自由，见图1 。压电片 长为，宽为彬，厚为 ，弹性梁长为Z 。，宽为埘。 ( = 叫。) ，厚为矗。，并忽略粘贴层对弹性梁的影响。 在外加电压u 作用下，双晶片内部电场E = 一u ， 上片极化方向与E 相反，下片极化方向与E 相同。 从而导致上片伸长，下片收缩，造成整个悬臂梁向下 弯曲。压电方程¨。可简化为 J s l = 5 1 1 丁l + d 3 lE 3 D 3 = d 3 1 丁1 + 3 3E 3 式中，下标l ，2 ，3 分别代表茗，y ，z 方向；s ，五分别 为戈方向的应变和应力；E ，D ，分别为z 方向的电 场和电位移；e ，为外应力为零或恒定时的介电常 数；d 。，为压电常数；s 。为电场为零或恒定时的弹性 柔顺系数。 o 十工 图1压电双晶片结构示意图 F i g 1 S t r u c t u I es c h e m a t i cd i a g r a mo fp i e z o e l e c t r i c 2 双面对称粘贴压电片的分析 本文使用有限元软件A N s Y s 定量地分析影响 执行器与结构之间变形传递关系的因素。A N s Y s 全面地包含了平面和实体的压电耦合单元，它可以 在其他软件( 如c A D ) 中创建实体模型，再通过数据 接口读人A N s Y s 中，或者利用参数化设计语言 ( A P D L ) 作优化设计分析。选用P Z T 压电陶瓷薄片 作为压电材料( 见图1 ) ，沿y 方向极化，且d 。= d 。 力学性能可视为面内各向同性。具体可利用如图2 所示的流程对压电执行器进行有限元分析。 考虑此结构为轴对称的情况，在有限元分析中， 为了简化计算用二维模型来摸拟压电双晶片悬臂梁 结构的弯曲变形，由于在A N s Y s 软件中二维坐标系 是戈，坐标系，在简化的过程中以y 轴为极化方向， 收集相关资料，获取材料性质 及几何条件、外界条件 构造压电执行器悬臂梁有限元模型 选择压电相和中间梁相的单元类 定义材料特性、几何形状 元素切割的产生( 自定义网络划分) 加载结构载荷、电场载荷 指定载荷步选项 分析 在嗍1 中查看显示分析结果 图2 建模分析流程图 F i g 2M o d e l l i n ga n a l y s i sf o l wc h a r t 前处理 该方向的压电常数为d 。龙方向的压电常数为d 。 以上、中、下3 层分别代表压电片、金属弹性梁和压 电片。 在有限元分析过程中：压电晶片的单元类型采 用4 节点耦合场单元“P L A N E l 3 ”。单元的各个特性 编码为：K E Y 0P r I ( 1 ) = 7 表示单元各个节点有3 个 自由度( D O F ) ：u x ( 戈方向的位移) ，u Y ( y 方向的位 移) ，V O L T ( 电势) ；K E Y O P T ( 2 ) = 0 表示位移插值函 数包含二次项，而电势保持线性；K E Y 0P r I ( 3 ) = 2 表 示戈y 面的应力为平面应力；中问弹性梁的单元类型 采用“P L A N E 4 2 ”单元；所选用的材料为镍合金，密度 p = 79 0 0k g ，m 3 ，弹性模量E 。= 1 0e P a ，泊松比仃。= o 2 9 ；外加电场强度2 0 1 l oV ，问隔为1 0V 的值， 压电材料的介电常数为3 9 8 ×1 0 “F m ，压电常数 d3 l = 一5 8 ×1 0 1 1 C N 。 二相材料之间用舢l e 方法粘贴。具体的建模 分析流程按照图2 所示进行，根据图1 利用对称性 建立有限元模型。在有限元分析中给压电堆施加电 压是在每个压电片的上下2 个电极表面的节点上分 别加上等势电压，因此在加压时可以分别将上下面 的节点的电压自由度耦合起来。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 第5 期袁嫣红等：基于压电双晶片的选针执行器的形变分析 1 1 5 · 3 驱动效果分析 3 1 压电片和弹性梁厚度对驱动效果的影响 设驱动电压U = 5 0v ，压电片与弹性梁厚度比 f = 矗。，矗。取不同值时梁末端位移随f 的有限元 计算值变化曲线如图3 。由图可见，f 越大，即双晶 片越厚，压电双晶片执行器驱动位移越小；弹性梁越 薄，曲线斜率变化越大，说明弹性梁的厚度对其影响 越大，且在f 达到3 以后，驱动位移变化很小，根据 曲线变化规律可以推出，在无限增大的情况下，执 行器驱动位移趋于零。 目 量 搀 翻 图3 弹性梁、压电片厚度比 ，危。对驱动位移的影响 F i g 3 l 、pd e n e c t i o na f f b c t e db yt h et h i c k n e s sr a t i 。 矗。 由曲线还可以看出，为满足一·定的位移要求，可 以根据弹性梁厚度的不同，选择不同厚度的压电片， 或根据压电片厚度的不同，选择不同厚度的弹性梁。 因此，在实际应用中，可以根据驱动位移曲线，综合 考虑压电片和弹性梁的厚度以及制造工艺的允许条 件，选择适宜的结构。 3 2 电压和压电陶瓷参数对驱动效果的影响 设 。= 0 1m m ，危= 0 3m m ，用A N S Y s 通过多 重求解法分析5 种不同压电系数的情况，在压电片 上下表面施加不同的电压，记录下模型末端在y 方向 的位移，如图4 所示：将数据连起来后可以看出，驱 动电压和末端驱动位移成线性关系，提高驱动电压可 显著提高驱动效果，但过高的电压输出对驱动电路的 实现是个挑战，同一驱动电压的情况下，压电系数( f ， 的绝对值较小时驱动位移也较小，因此，可以根据实 际情况选择压电片的压电系数与驱动电压。 4 实验测量及验证 为了验证此模型的可行性，对双晶片结构的执 l d 3 l = 一6 8 0 ×1 0 1 2C ，N ；2 一d 3 l = 一5 8 0 ×1 0 一1 2C N 3 也l = 一4 8 0 ×1 0 1 2C N ；4 一d 3 l = 一3 8 0 ×l O 一1 2C N 5 一d 3 1 = 一2 8 0 ×1 0 1 2 C N 图4 压电片材料特性对驱动位移的影响 F i g 4T i pd e n e c t i o ne 珏b c t e db yd i f r e r e n t p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a Jp r o p e r t y 行器进行了测试。限于实验条件，选择压电陶瓷片 的尺寸为6 4m m ×1 5m m ×0 6m m ，弹性梁的尺寸为 6 5m m ×1 5m m ×0 1m m 。经过标定，为此悬臂梁结 构施加o 1 4 0V 电压，基本参数与前面做A N s Y s 分 析的相同。在0 1 3 0v 的电压下测出了双晶片的 挠度变形，如图5 所示。 图5双晶片悬臂梁结构电压与位移曲线 F i g 5T i pd e n e c t i o na sa f u n c t i o j lo f “p I ) l i c ( 1 v o I f 8 9 e o ft h ec a n t i l e v e rb e a mm ( ) d e l 从图中实测曲线可见，压电双晶片偏转位移与 附加电压不是完全的线性炎系，而是略微偏斜的直 线，同时显示出较大的滞后，迟滞和蠕变曲线基本包 容了线性理论曲线，这除了压电材料蠕变现象和滞 后特性外，电制伸缩效应也起了作用。实际测量值 略小于理论值，这是因为压电片与弹性梁之问有粘 结层，胶层的厚度影响了驱动位移的大小，另外驱动 电源特性及材料的非均匀性对测量结果也有一定的 影响，但是这并不太影响它作为选针执行器的应用。 利用图6 所示的系统对选针执行器进行测试， 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark · 11 6 · 纺织学报第2 8 卷 验证了此执行器应用在选针机构的可行性。实验证 明：当给双晶片施加电压时，由于逆压电效应的作 用，利用双晶片产生的挠度变形能够控制选针，基本 满足选针控制规律。进行选针的竖针片由步进电机 驱动做周期的上下运动，其运动周期与施加在压电 陶瓷片上的电压同步，这样就可以在有限的空问内 实现l 针控制1 根经纱的目的。文献 8 具体叙述 了其选针阀的结构原理。与电磁阀相比，压电陶瓷 选针结构可以缩小为原来的一半。 图6 测试系统结构原理图 F i g 6 S c h e m a t i cd i a 铲a mo ft e s ts y s t e m 5结论 通过适当增加外加电压，优化弹性梁的弹性模 量和压电片厚度，选择稍硬的压电驱动片，可以提高 机构的驱动性能。压电双晶片主要靠电场电压工 作，绝缘性很好，且可以使用直流稳定电源作为控制 信号，因此它工作环境好，无污染，对冲击电流的抗 干扰性很强，工作温度稳定性好，也不存在受电磁场 干扰而产生的失效等现象。应用压电双晶片执行器 有利于进一步提高针织、提花等织机的速度，是适合 针织、机织提花机械的一种新型执行机构。躐 参考文献： 1 郝虎在，田玉明，黄平编电子陶瓷材料物理 M 中 国铁道出版社，2 0 0 2 2 李志祥电子提花商标机和织带机 M 北京：中国纺 织出版社，2 0 0 3 ：3 3 S m i t sJG ，B a u a 【0A D y 蚰m i ca d m i t t a I l c em a t r i ao f p i e z o e l e c 啊c c a n t i ll i v e rb i m o r p h s J J o u m a lo fM i c r 0 一 E l e c t r o m e c h a n i c a lS y s t e m ，1 9 9 4 ( 3 ) ：1 0 5 1 1 2 4 蒋文惠从第九届中国国际纺机展看中国针织机械的 发展 J 纺织机械，2 0 0 4 ( 6 ) ：1 3 1 6 5 陈祥平，刘季平，高中明1 E R R O Tu c c 5 4 8 双面电子选 针大提花针织大圆机主要特征 E B ，0 L 2 0 0 6 一0 7 1 4 ，h t t p ：，w w w s c s i l k c o m H t m l e l i t e ，l “3 5 9 9 9 4 2 h m 1 6 经纬纺织机械股份有限公司宜昌纺织机械分公司 G E l 8 7 D 单面电脑提花机 E B ，O L 2 0 0 6 一0 8 1 4 h t t p ：，w w w t t m n c o m ，P r o d u c t A F E 8 A C l O A D 8 1 5 6 8 6 C h t m l 7 张福学，王丽坤现代压电学：中册 M 北京：科学出 版社。2 0 0 2 8 贾卫靖，刘云斌，袁嫣红，等电子提花机的压电陶瓷 传动原理与测试 J 纺织学报，2 0 0 6 ，2 7 ( 1 1 ) ：4 8 5 1 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark