（机械设计及理论专业论文）光致弯曲驱动马达研究.pdf

摘要 摘要 随着光致形变聚合物材料研究的不断深入，采用该类材料研制的新型光驱 动微执行器应用在微型机器人、微流体设备上，今后在生物医学等领域得到一 定的应用。新型智能复合材料将来则有望用于光控智能结构中，在航空、航天 及军事等领域发挥作用。本论文是国家8 6 3 项目课题前期研究工作的成果总结。 分析研究了光致弯曲材料的力学特性，研究了在光照情况下材料应变和应 力的关系。初步建立了材料的应力应变模型。并建立光致弯曲材料受光照情况 下的光致应变和弹性应变与光照透过材料距离的关系，以备后续对光致弯曲驱 动马达进行进一步分析。 分析设计了光致弯曲驱动马达的机械结构。进行了若干合理的假设，并在 假设基础上分析了光致弯曲材料的变形能。通过对材料不同情况下的变形能的 分析和比较，分析阐述了光致弯曲驱动马达的驱动原理。并最终得出其驱动力 矩的计算表达式。 对带式马达的驱动力矩进行了数值模拟，对不同假设下驱动力矩的影响因 素的分析比较，为进行有关优化设计提供了理论基础。在不同假设下分析了光 致弯曲材料不同光照情况下的应力应变，揭示了带式马达驱动力矩存在的客观 原因。对马达运动进行了机械仿真。还对带式马达的制造工艺方法进行了简单 的探讨和分析。概述了光致弯曲材料的制备工艺方法。通过对不同微机械加工 方法的分析比较，重点阐述了l i g a 方法。最终选用l i g a 技术加工带轮和传动 轴。为了有效减少摩擦力，选用耐磨性很好的红宝石轴承。 最后，对全文作了总结并指出需进一步研究之处。 关键词：光致形变聚合物；光致弯曲；光驱动马达；驱动力矩 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h el i g h t i n d u c e dd e f o r m a t i o no fp o l y m e rm a t e r i a l sr e s e a r c hi sd e v e l o p e d , an e wt y p eo fl i g h t d r i v e nm i c r o - a c t u a t o r sm a d eb ys u c hm a t e r i a l sc a nb eu s e di n m i c r o r o b o t ，m i c r o f l u i dd e v i c ea n di nt h eb i o m e d i c a la r e a si nf u t u r e n e ws m a r t c o m p o s i t em a t e r i a l sc a nb ee x p e c t e df o rf u t u r el i g h t - c o n t r o l l e ds m a r ts t r u c t u r e s ，c a n b eu s e di nt h ea v i a t i o n ，a e r o s p a c ea n dm i l i t a r yf i e l d s t h ep r e l i m i n a r ys t u d yr e s u l to f t h ew o r ki ss u m m a r i z e di nt h i sp a p e r ，w h i c hi ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a l8 6 3p r o j e c t t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fl i g h t - i n d u c e db e n d i n go fp o l y m e rm a t e r i a l sa r e a n a l y z e di nt h ep a p e r t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n s t r a i na n ds t r e s so ft h em a t e r i a l s u n d e rt h el i g h ti r r a d i a t i o ni ss t u d i e d a n dt h em o d e lo fs t r e s s - s t r a i no ft h em a t e r i a li s a l s os e tu p t h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h el i g h t i n d u c e ds t r a i n ，t h ee l a s t i cs t r a i na n dt h e d i s t a n c e so ft h el i g h tc a ni r r a d i a t et h r o u g ha l s ob es e tu pi no r d e rt op r e p a r ef o rf u t u r e r e s e a r c ho nt h em o t o rd r i v e nb yt h el i g h t - i n d u c e db e n d i n g t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fm o t o rd r i v e nb yt h el i g h t - i n d u c e db e n d i n gi s d e s i g n e d t h el i g h t - i n d u c e db e n d i n g d e f o r m a t i o ne n e r g yi sa n a l y z e d ，w h i c hi sb a s e d o nal o to fr e a s o n a b l ea s s u m p t i o n s t h ep r i n c i p l eo ft h em o t o ri sa n a l y z e dt h r o u g h a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h ed e f o r m a t i o nu n d e rd i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e s a n d e v e n t u a l l yi t sd r i v i n gt o r q u ec a l c u l a t i o ne x p r e s s i o ni sg i v e n an u m e r i c a ls i m u l a t i o na b o u tt h eb e l t - d r i v e nm o t o rt o r q u ei sg i v e n ；t h e i n f l u e n c i n gf a c t o r so f t h et o r q u eu n d e rd i f f e r e n ta s s u m p t i o n sa r ea n a l y z e da n d c o m p a r e di no r d e rt op r o v i d ea t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na b o u ta l lo p t i m i z a t i o nd e s i g n t h es t r e s sa n ds t r a i no ft h em a t e r i a l su n d e rd i f f e r e n tl i g h tc o n d i t i o n si ss t u d i e d ，w h i c h i sb a s e do nd i f f e r e n ta s s u m p t i o n s ；a n dt h eo b j e c t i v ee x i s t e n c er e a s o no ft h et o r q u ei s r e v e a l e d t h em e c h a n i cs i m u l a t i o no ft h em o t i o no ft h em o t o ri sa l s og i v e n t h e m a n u f a c t u r i n gm e t h o do ft h em o t o ri sa l s od i s c u s s e da n da n a l y z e di nt h ep a p e r t h e p r e p a r a t i o np r o c e s sm e t h o d o l o g y o ft h el i g h t i n d u c e dd e f o r m a t i o no ft h em a t e r i a l si s p r e s e n t e d ，a n dt h r o u g ha n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h ed i f f e r e n tm i c r o - m a c h i n i n g m e t h o d s f o c u s e so nt h el i g am e t h o d f i n a l l yt h el i g at e c h n o l o g yi ss e l e c t e dt o i i a b s t r a c t m a n u f a c t u r et h eb e l tp u l l e ya n ds h a f t t h er u b yb e a r i n g sa r es e l e c t e di no r d e rt o e f f e c t i v e l yr e d u c et h ef r i c t i o n f i n a l l y , t h ef u l lt e x ti ss u m m a r i z e d ；t h ed i r e c t i o no ff u r t h e rs t u d yi sa l s op o i n t e d o u t k e yw o r d s ：l i g h t i n d u c e dd e f o r m a t i o no fp o l y m e rm a t e r i a l s ，l i g h t i n d u c e db e n d i n g ， l i g h t - d r i v e nm o t o r , d r i v i n gt o r q u e i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位敝储繇屈f 函口7 年弓月，参日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 孙 年 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 高分子液晶弹性体既具有液晶材料的各种优异性能义具有聚合物交联 网络的特征，因此具有良好的外场响应性、分子协同作用和弹性。目前，这 类材料所产生的光致伸缩的实验值已达到2 0 ，理论计算值则高达4 0 0 。 这种形变是光化学相转变引起液晶分了取向度的变化所产生的，而液晶的光 化学相转变是完全可逆的，且在最优化的条件下，能够在纳秒级的时间内完 成。这一光致形变体系为光机械效应提供了新的机理，并且在开发微型、大 位移、高速度、回复性好的驱动器方面具有很大的潜力。然而，上述研究中 报道的是仅在受光时产生单自由度的伸缩，远远满足不了越来越复杂的执行 机构的要求。 常用的s m p 有热致型、化学感应型及光致型，其中光致动型的s m p 是 由材料中光致变色基团所发生的可逆光异构化反应引起的，这种光致感应发 生的可逆形变与化学物质引起的形变不同，它不需要与化学物质直接接触或 发生物质交换，只要外部供给非接触性的能量，就能实现其形状的控制。因 此光致动型的s m p 被认为是最具潜力的m e m s 执动材料。s m p 出现后，研 究人员通过加入光致变色基团制作了具有光致伸缩效应的高分子凝胶。然 而，不足1 0 的光致形变率及响应速度慢限制了该领域研究的深入进行。 2 0 0 1 年，德国弗赖堡大学大分子化学研究所f i n k e l m a n n 等人利用含偶 氮苯的高分子液晶弹性体开发出新型光致伸缩材料。2 0 0 2 年和2 0 0 3 年，英 国剑桥大学卡文迪许实验宰的t e r e n t j e v 等人和法国居里科学研究院居里物 理一化学实验室的k e l l e r 等人也相继发表了有关的研究论文。 目前国内外仅有下列研究人员利用液晶聚合物进行光致形变和驱动方 面的研究：p a l f f y m u h o r a y 等制作了可“躲避”光照的液晶高分子薄膜，h a r r i s 等获得了具有扭曲形变能力的液晶薄膜，t a b i r y a n 等使用激光驱动- 丌j 弯曲及 扭转的液晶薄膜。t 开尚未见该类材料应用于光驱动执行器的相关报道。 就发展趋势来 兑，光致形变液晶聚合物止朝着材料性能改善、降低成本 第1 章绪论 的方向发展。例如，运用分子设计技术和材料改性技术提高响应速度、改变 致动光波长等综合性能、通过复合或共混方式开发兼有多种效朋的新型材料 等。此外，材料应用研究也是一个发展趋势，主要偏重于作为执行器件，探 索其在民用、医学以及军事领域的潜在应用。 根据s e m i ( s e m i c o n d u c t o re q u i p m e n ta n dm a t e r i a l si n t e r n a t i o n a l ) 发布的 报告显示，2 0 0 5 年全球m e m s 相关产品市场总值4 8 0 亿美元，至2 0 1 0 年将 达到9 5 0 亿美元。目前m e m s 执行机构大都采用静电驱动( 如微镜阵列、静 电马达) 、热驱动( 如s m a 执行器) 以及电磁驱动( 磁致伸缩材料) ，这些驱动 方式都存在驱动力小或供能不便等缺点，随着m e m s 的微型化进展，能量 供给越来越制约微执行器的发展。光致形变材料应用于微执行器，能够很好 地解决这一瓶颈问题，必将对m e m s 的发展起到巨大的推动作用。 随着微机械系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s ) 研究的不断 进展，对执行器的要求越来越高：直接驱动、大驱动力、大位移、快速响应 等等；同时传统的电、磁及热供能由丁需要导线、电磁转换器件、加热器件 等辅助设备，使结构的微型化成为一大问题。光驱动具有传递功率大、非接 触、快速、精确、易操控、清洁等优点，成为m e m s 的最佳供能方式。用 光直接驱动机械装置，是多少年来人类的一个梦想。将光能直接转化为机械 能，实现光直接驱动执行器，将推动m e m s 的快速发展。 与s m a 、电磁致伸缩材料相比，聚合物材料有着自己独特的优点，如 生产成本低、材料选择范围广、易于实现性能和形状的精确调控、良好的生 物相容性和降解性等。通过复合加工，可以改善其力学强度及其他物理性能 参数，并进步开发种类丰富的s m p 材料。冈此，以聚合物作为功能材料 的应用需求正越来越广泛，而光响应型s m p 材料的推陈出新将大大促进上 述应用的发展。光驱动不需导线，安全，可遥控供能，驱动力大。光致形变 器件可直接用作微机器人的肌肉，可构成光动微泵、微阀，甚至可制成太阳 光直接驱动的微扑翼飞行器。冈此，本研究颇具开拓性，不仅能推动光驱动 聚合物形变材料的发展、促进光驱动m e m s 的实际应用，而且有望为丌辟 m e m s 在生物医疗、生物医学及军事领域的未来市场奠定基础。 此外，聚合物材料所具有的独特优点，如生产成本低、材料选择范围广、 易于实现性能和形状的精确调摔、良好的生物相容性和复合加工性能等使其 成为柔性驱动器的首选材料。 2 第1 章绪论 目前国内外的马达种类很多，主要有气动马达，液压马达，电磁马达，静电 马达，压电马达，超声波马达和分子马达等。其中压电马达是利用压电陶瓷基 片或者薄膜、电致伸缩材料的声振动和微小变形将电能转换成旋转或移动的 机械输出的运动形式的新型驱动器。超声波马达利用压电陶瓷的逆压电效应 和超声振动，将材料微观变形通过共振放大和摩擦运动转化成转子的宏观运 动，应用功率超声技术，具有结构简单、运动形式多样等优点。分子马达是由 生物大分子构成的一类蛋白质，它是利用化学能机械做功的纳米系统。目前 比较深入研究的是线性运动分子马达和旋转运动分子马达。 虽然现在的马达分类很多，但是其驱动方式主要有三种：电致驱动，热致 驱动和其他刺激下( 例如采用化学、电化学等方法) 的驱动。而有关光驱动型 的马达的专利尚未见报道，与之相关，只有复旦大学俞燕蕾教授在日本留学 及工作期间获得的光致形变液晶聚合物材料专利。总的来说，关于光驱动型 的聚合物材料及执行器的研究尚处于起步阶段，且多为对材料的研究，注重 于应用的研究极少。复旦大学俞燕蕾教授在光致形变液晶聚合物方面的研究 处于世界领先水平，本课题将光致弯曲聚合物应川于马达上，预期成果将具 有前沿水平。 本课题来源于国家8 6 3 项目，拟采用该类材料研制的新型光驱动微执行 器可望应用在微型机器人、微流体设备上，今后在生物医学、生物医疗等领 域得到一定的应用；新型智能复合材料将来则有望用于光控智能结构中，在 航空、航天及军事等领域发挥作用。 1 2 国内外马达研究发展现状 微马达等m e m s 器件最基本的工作原理是将其他能量( 一般是电能) 转换 为机械能。实现这一转换的执行机制有静电力驱动、电磁力驱动、压电力驱 动、热膨胀力驱动、磁致伸缩式驱动、气动、电液致动、凝胶致动、光致动、 超卢波致动、气泡驱动以及形状记忆合金膜片驱动等。目前，常见的微马达 有静电马达、电磁马达、压电马达、超声波马达和分子马达等。 ( 1 ) 静电马达 静电驱动是利用静电荷的库仑引力或斥力产生变形而产生位移。对于 平行板电容静电驱动力简化为： 3 第1 章绪论 ，= 警= 上2 一生x 2 甜 其巾，o 为介i b 常数，s 为极板j 下对面积，v 为偏置电压，o 为极扳问 距离。由公式可以看到，静电力与距离的平方呈反比例，因此驱动的行程不 可能太大，所以它比较适用于制作微驱动系统。 1 8 8 9 印k a dz i p e m o w s k y 利用电容器极板问的静电力研制了可变电容 量驱动器。1 9 8 8 年，美同加利福尼弧大学伯克利分校葑先_ h j 表面微机械加 工技术制成了直径6 0 , u m 、转速6 00 0 0r p m ，在真空中连续运行4 h 无磨损的 微静电马达。斯坦福大学研制出直径2 0 删，长度t 5 0 ，州的铰链连杆机构， 2 1 0 ，期1 0 0 u n 的滑块机构，转子直径2 0 0 a n 的静电电机。德国f r a u n h o f e r 崮卷技术研究所开发r 驱动电压1 7 0 9 、泵频率为2 5 h z 时泵送量7 0 一，m l n 的静电式微型泵。 静电驱动1 2 - 5 1 是利用电荷问的吸引力_ 手【l 排斥力的互相作用顺序驱动电极 而产生平移或旋转的运动。静电作用届丁表l a i 力，它和器件尺寸的二二次方成 正比卉：尺寸微小化时能够产生很人的能量。其优点是：采用r 【 压控制 ( 2 ) 驱动力与体积比极高；( 3 ) 其制作上艺与i c 相仿；( 4 ) 低能耗和短时间响应。 静电式微驱动器是心州较j 、泛的微驱动器，这类驱动器不仅结构简单、 控制方便，而且其动作范围大、功耗小、响应频率高，适丁囊成化制造。它 们具有效率高、耥度高、不发热、响应速度较快萼优点，但存枉着输出的力 小，以及驱动屯址高等缺点。网11 所示为静电微马达s e m 照片。 刻 过匕形”l ： 制 图1 】静电微屿达s e m 照片 ，1 第1 章绪论 ( 2 ) 电磁马达 放在磁场中的载流导体要受到洛仑兹力： f = b i l s i n 口 其中，i 为电流强度，b 为磁场强度，l 为导体长度，0 t 为磁场方向与电流 方向的夹角，安培力f 的方向垂直于b 与i 所决定的平面。利用这一原理可以 制造驱动器。电磁驱动器具有结构原理简单、单位行程长、动作灵敏、控制 方便、可靠性高、输出力大和价格低廉等优点。 但是，由于电磁力的驱动效率与电磁线圈的电流密度以及动铁芯( 磁 性材料) 的体积有关，目前常用的电磁驱动器存在着能量消耗高、线圈升温 高、噪声大以及体积大等缺点，人们也一直试图解决电磁线幽的微型化问题， 这也是阻碍电磁微驱动器微型化的一个主要障碍。 电磁力驱动 6 - 9 1 的机制是基于电、磁间互相作用产生的驱动力。其优点 是：( 1 ) 具有旋转轴，可以传送能量；( 2 ) 其控制系统已很成熟，易和宏观系统 直接联接使用；( 3 ) 电磁式微动器为三维空间的结构；( 4 ) 可在恶劣的环境下工 作；( 5 ) 与静电式微动器相比较，装配容易，月驱动力大。 电磁型微马达以驱动力矩大、转换效率高、寿命长和易于实用受到广泛 关注，以电磁型微马达驱动的微型汽车、微小机器人和微型直升飞机的研制 成功进一步显示了其巨大的实用价值。电磁型微马达的结构如图1 2 所示【m 】， 绕组是应用微加工技术在铁氧体陶瓷基体上制备，再在绕组上覆盖一保护层， 微转子由永磁材料经精密加工，利用自制的充磁装置，在垂直于转子表面方向 冲入所需的磁极数，为获得均匀磁场分布和使磁路闭合，在转子背面加一层软 磁材料，即转子由二层合金薄片构成。目前已研制出速度可调，转向可逆的电 磁掣微马达，直径为2 m m 的电磁型电机空载转速已达2 5 0 0 0 r m i n ，输出力矩 达2 1 8 i n m 。 图1 2 电磁型微马达 5 第1 章绪论 ( 3 ) 形状记忆合金马达 形状记忆合金( s h a p em e m o r ya l l o y s ，s m a ) 是智能结构中最先应用的 一种驱动元件。它的特点是具有形状记忆效应，研究已表明，这种形状记忆 的效应是由于马氏体相变造成的。根据其对不同温度下形状的记忆能力可分 为单程、双程、全方位形状记忆。 其中n i t i n o l 是形状记忆智能材料结构中采用最多的材料，它属于第一类 热弹性马氏体。形状记忆合金可作为驱动器，具有很多优点，如：可以实现 多种变形形式，易于和基体材料融合，变形量大，加热激励时能产生很大的 恢复应力，从马氏体相逆变到奥氏体相后，弹性模量提高3 - - - , 4 倍等。同时也 存在一些问题，如：激励时消耗能量大，响应速度慢，并且散热过程l v , i j n 热 过程更慢，必须研究出降低激励能耗、提高响应速度的新的形状记忆合金材 料。国外正在研究采用激光加热形状记忆合金，目前已能够使得短小的形状 记忆合金材料达到相变温度。 诸如钛镍形状记忆合金在预置温度下具有回复原来形状的能力，在变温 相变过程中有回复力输出，这一回复力可对外做功。t i n i 形状记忆合金的回 复力可达6 0k g m m ，在反复地加热、冷却的热循环中，均会产生相同的相 变，也会有相同的回复力输出。输出的回复力足温度的函数，在几万次的热 循环中，形状记忆合金的回复力衰减很微小。利用这些合金可更加精确和高 效地制作微驱动器。国内开发的n i t i s i 薄膜微驱动器最大位移可达5 0 a n ， 最高驱动频率可达1 0 0 h z ，驱动功率u 减小到0 2 w 。 形状记忆合金】用于微致动器的设计与制作主要是根据它们两个基本 性质，相变后发生形变；恢复过程巾伴随产生力及位移。形状记忆合金本身 的电阻值很高，可方便地通过输人电能转换为热能的方法来驱动，通常直流、 交流或脉冲电流都可以使用。在驱动过程中，加热速度可以非常快，但冷却 进程完全依赖热传导及热辐射，不容易控制，这是影响其响应速度的一个关 键冈索。其优点是：( 1 ) 有很高的力重量比；( 2 ) 丌j 利用微j j n 工技术来；i j n 3 2 ；( 3 ) 驱动电压低；( 4 ) 机构简单、容易设计；( 5 ) 远距离操作性能好，驱动控制方式成 熟。其不足是：( 1 ) 记忆形状有某种程度的不稳定；( 2 ) 材料特性的变化，尤其是 电阻值的变化，会改变驱动频率；( 3 ) 疲劳作用使恢复应变特性降低；( 4 ) 连接 元件易损耗。 s m a 驱动器具有以下特点，体积小、结构简单、重量轻、动作柔性好、 6 第1 章绪论 控制方便、不易受周瑚环境( 温度除外) 的影响。世是，由于s m a 微驱动 器是靠加热、冷却使其运动，而驱动器本身具有一定的热惯性，所以s m a 驱 动器的最大缺点就是响应速度较慢。为了提高响应速度并将其应用于微驱动 器，寻找具有优越性能的新型的形状记忆材料成为研究的关键。目前，这种 驱动方式被广泛用在卫星旋转驱动器、微型关节和机器人，以及微弹簧上。 图13 所示为基于s m a 的微小型蠕动机器人。 恻13 基十s m a 的微小掣i 翥动机器人 ( 4 ) 压电马达 在智能材料结构中，压电元件足当前理想的驱动元件。压电材料具有很 多特性：既可以作为驱动器义可作为传感器；作为驱动器时它的激励功 率小，响应速度较快，是j 俘状记忆合金的i 万倍；制作t 寸可做得很小很薄， 且组合是活可以人块使丌】也可以小块分散使用。兑中m 于压电陶瓷具有微4 、 位移i | 精度高这突山优势，适应微机械、微机器人微小位移控制的要求， 用怍压电驱动器是比较坪想的。 f r 压电陶瓷的极限应变小，最大不超过7 0 0 微应变，日前j ；i ；不能作为结 构材料。近年米存午品驰豫铁电体叶1 脱察剑的异常高的应变给压电和电致伸 缩利料的研究开辟了新的机遄。人wj 正在若干研究其商耦含系数、高应变、 住负荷下的铂：为起困。由于大多数电驱动陶瓷材料是多品的，冈此探索多品 m 电陶瓷特别是无斟 体系陶瓷材料足行也具有这样的性能，足门前陶瓷科学 研究肢压- b 材料研究巾的关键问题z，埘压电陶瓷能卉存微型机械叶1 的成 功应川起到咒键作用。司时，在微机械府川r 1 一，薄膜状态的压电利料刘r 开 第l 章绪论 发微传感器和微驱动器甚为关键。小型化和同硅的集成化趋势导致了对薄膜 的性能和制备的日益重视。由于尺寸效应，陶瓷薄膜与它们对应的块体陶瓷 具有显著不同的性能。进一步地，利用共烧器件，如何把传感器和驱动器、 功率发生器等都集成在硅基片上及生物体系中，实现电子陶瓷的集成是陶瓷 研究的另一热点，其中低温共烧陶瓷起到了开创作用，_ 口j 解决低压驱动和执 行器微型化的难题。随着这些问题的深入研究和逐一解决，压电陶瓷材料在 微机械的应用中将大放异彩。 压电型微驱动器的功能一般在于输出毫米、微米、甚至纳米量级的位移 或机械运动，有较高的位移分辨率和控制精度，而且具有响应快、驱动力犬、 驱动功率低和工作频率宽等优点，是一种较理想的微位移驱动器，已广泛应 用于精密机械、机器人和生物医学工程等领域，并受到国内外的重视。 日本的m a s a n o 和t m a t s u o k a 等人应用8 块压电陶瓷片通过变换驱动 时序和相位研制成了针型驱动器。这种驱动器主要用来作为微型管道机器人 的动力源。它的位移可以实现精确到0 5 m ，移动速度可以达到1 0 3 m m s ， 其最大驱动力是0 0 2 2 5 6 n 。 压电微马达是通过压电材料将电能转换为机械能的运动形式输出的新 型驱动器。其特点是构造简单、在低速下仍有火的输出力矩等优点，这与一 般的电磁马达和静电马达不同。中国科学院长春光学精密机械研究所成功研 制出直径3 r a m 的压电微马达的样机。上海冶金所也研制出直径为1 8 m m 的 压电微马达，实验测得的转速为3 0r m i n 5 0r m i n 【1 2 j 。 利用压电材料的逆压电效应【1 3 j 5 】可以将电能转换为机械能。压电元件的 振动方式，不仅与元件的几何形状有关，而且还与其形状对晶轴的相对关系， 以及电场的方向有关，这就为使用带来多种选择，因此在驱动系统中，应用非 常广泛其优点是：响应速度快，o 输出力大( 各尺寸l t ) ，可达数千帕；微小位移输 出稳定，非常适合制作微小的致动器的元件( 从纳米级到微米级范围) 。 按照乐电微马达激励部分的村料可以将压电微马达分为薄膜微马达和 陶瓷微马达；按照驱动机理分为行波压电微马达、驻波压电微马达和蠕动压 电微马达。压电微马达的独特优点就是无噪声、无惯性，其动力矩的大小介 于静电电机和电磁电机之间。2 0 0 0 年清华大学研制出一种低成本、结构简单， 亢径为1 8 m m 的摆头式棒状压电微马达【i 引。其结构示意如图1 4 所示。该压 电微马达的换能激振部分采用外形尺寸1 8 m m x 8 m m 的压电陶瓷网棒，马达整 8 第1 章绪论 体装配外形尺寸1 8 m m x l 2 m m ，质量不足0 2 5 9 ，稳定工作频带宽，约为3 k h z ，最 高空载转速不低于5 0 0 r m i n 。 图1 4 棒状压电微马达结构简图 ( 5 ) 超声马达 随着科学技术的发展，航空航天、机器人、精密仪器等领域对电机性能 都相应地提出了新的需求，传统电磁电机受工作原理和结构的局限，已难以 满足这些特殊需要。为此，世界各同都在努力研究新型电机，压电超声马达 是其中发展较快、取得成果较多，表现最具有生命力的一种。超声波马达利 用了压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将材料微观变形通过共振放大和摩 擦运动转化成转子的宏观运动，应用了物理、机械振动、电子、材料等学科 为基础的功率超声技术，具有结构简单灵活、运动形式多样等优点，近年来 得到商家和科研人员的极大关注。 目前日本在超声马达的产业化方面走在世界前列，研究重点主要面向民 用消费品领域。新生工业公司在1 9 8 6 年成功地开发出成本较低且便于推广 的产品，率先实现了产业化【1 7 】。为协调各企业超声电机的研究发展，佳能、 新生以及松下等大公司联手，共同组建了日本超声电机联络会，为超声波马 达的研究和开发创立了极其有利的环境。东京大学、东京工业大学以及爱知 工业大学等高校针对超声波马达的驱动原理、各种压电换能器的设计和优化 以及压电材料和摩擦材料等方面做了大量研究工作，使超声马达的控制性能 和使用寿命得到大幅度提高，极大地扩宽了应用范围和领域。 美国的超声波马达研究和应用也十分活跃，主要的研究机构有喷气推动 实验室( j p l ) 、麻省理工学院( m i t ) 和国家航空和宇宙航行局( n a s a ) 等单位， 其开发研究的重点主要在于航天领域和军事上的应用。近2 0 年来在宇宙飞 9 第1 章绪论 船、火星探测器、导掸等航卒航天_ _ l = 程中都陆续应用了超声马达。如图 l5 所示。l m r 大学等科研单位建立了板振动分析模型、齿运动模型、马达 受力模型并用有| ；6 1 元法进行了变形与应力分析，在基础理论研究方晰取得 了非常可喜的成果。 ： 5 ； 嘲15 美国研制的8 m 超声马达 国内超声波t 达研究是从2 0 世纪8 0 年代末期开始的，玎展超卢波马达 研究的单位很多，但大多为对州外成果￥h 踪仿制，在此摹础p 进行一定的理 论分析和探讨，总体上还只限于实验室原理性样机的试验，尚未达到产品化 实，h 阶段。清华大学在超声波马达领域最早获得围家自然科学基金赞助，先 后研制出卉线籍位式微动压电! 选、直线自校正式超声步进马达、商线压电 一电流变籍位式微动马逃。2 0 0 1 年1 2 月世界最小超声马达狂清华诞牛，图 16 是该超声马达的照片。 罔1 6 i 占# 研制的l 删超卢马达 超卢波马达研究涉及材料学、弹性力学、机械振动学、摩擦学、高频电 第1 章绪论 力电子技术等多门学科，是一种典型机电一体化产品。尽管部分研究成果已 经进入实用阶段，但其完整的数学机理模型、动态的接触模型、精确估算马 达性能的动态结构模型等理论问题仍处于探讨与完善阶段。设计理论、制造 工艺以及驱动控制等实际问题亟待进一步研究和解决。同时其工作原理决定 了陶瓷材料、摩擦材料的性能对马达的性能和寿命起着至关重要的作用，这 些材料的性能也需要提高改善。今后研究的内容主要是逐步建立精确、定量 的理论模型；设计适用新型结构；研制良好性能的陶瓷材料和摩擦材料，进一 步研究马达的控制特性。 超声马达运动机理是多种多样的，其具有强人生命力重要一点就在于结 构简单灵活、运动形式多样，可以根据应用的场合需要，自行设计出适合的 结构，提高马达的性能，从而改善在实际工程领域的实用性。新型马达的研 究主要是开展新运动机理、新模态变换方法和新结构的研究设计，当前具体 表现为对大功率超声马达、微型超声马达、多自由度超声马达、直线型超声 马达和非接触式超声马达的研制【1 9 】。 ( 6 ) 分子马达 生命在于运动，机体的一切活动，从肌肉收缩、细胞内部的运输、遗传 物质( d n a ) 的复制、一直到细胞的分裂等等，追踪到分子水平，都足来源 于具有马达功能的蛋白质大分子做功推动的结果。因此它们被称为分子马达 或蛋白质马达和蛋白质机器等。到目前为止，已有百种以上的分子马达被确 定，它们在机体内执行着各种各样的生物功能。分子马达都是沿着相应的蛋 白丝作定向运动【2 呲5 1 。这些蛋白丝起着“轨道的作用，它们都是有极性的， 冈而也是有方向性的。这些分子马达可高效率地将贮藏在腺苷三磷酸( a t p ) 分子中的化学能直接转换为机械能，产牛协调的定向运动而做功。迄今为止， 人类尚无由化学能直接转换为机械能做功的任何应用记载。那么由生物体反 映出的这一独特的能量转换形式不仅对于生命活动是至关重要的，而且可以 使人类从新的角度去认识、研究和利用这- - 乩i ：j t 二量转换的分子机制。冈此分子 马达定向运动机制、做功原理及能量转换机制已成为分子生物学、物理学、 生物化学等诸多学科中最引人注目的问题之一，并会在相当长时间里成为多 学科所共同面临的一个极具挑战性的科学研究领域。 分子马达足生物进化的产物，许许多多结构各异、功能不同、各司其职 的分子马达成为生命动力和活力的源泉。而且实验研究4 i 断取得新的进展， 第1 章绪论 不断有新的分子马达被发现。对其机理的研究使人们认识到分子马达一些新 的运动模式最近，有关肌球蛋白v ( m y o s i nv ) 的很多实验结果【2 睨7 】又为从 理论上研究分子马达运动的机理提供了很好的契机。为广大理论工作者提供 了广阔天地。 分子马达做功原理的研究是分子马达研究中的核心问题，其中蕴含人类 尚未揭示的科学奥妙。虽然这方面的研究已取得了一些进展，但距真正搞清 楚这一能量转化机制还相差甚远。这绝不是某一学科所能独立完成的事情， 需要多学科有机融合、交叉研究来共同解决。 实验表明，分子马达效率在5 0 以上，个别马达效率甚至接近1 0 0 。 这种效率是任何人造机器都无法与之相比的。这就是说，模型分析中要以效 率作为判据之一而在现有的模型中计算得到的效率却是很低的，只有百分之 几，这与实际情况相比存在数量级的差别，说明模型存在着实质性问题有待 解决。 近年来分子马达运动机制的研究已取得相当进展。分子马达这一研究领 域确实是一个广阔而又神奇的世界，正在日新月异地在向前发展。分子马达 的研究在国际上已引起极大的重视。日、美等国在该领域已做了大量工作， 而且发展很快，处于领先地位。国内的研究工作虽然初见成效，但足还应当 给予足够的重视，多做工作，尽快缩小差距，迎头赶上。可以预期这一多学 科极具挑战性领域必将在本世纪推动各个学科向更深层次探索，成为2 l 世 纪科学研究的焦点，其研究成果具有巨大的学术价值以及潜在的社会效益。 1 3 各种类型马达的特性比较 电磁型驱动器结构原理简单、控制方便、性能稳定、输出力大等优点， 但是这种驱动器的体积较人、能量消耗较人。静电掣由微驱动器结构简单、 控制方便、效率高、功耗小、响应速度较快，适于集成化制造，但存在着输 出的力小，以及驱动电压高等缺点。压电型驱动器_ 自较高的位移分辨率和控 制精度，而且具有响应快、驱动力大、驱动功率低和工作频率宽等优点，但 是它所需的驱动电压较高、位移量小、制作工艺比较复杂。s m a 驱动器体 积小、结构简单、动作柔性好、控制方便、彳易受周围环境( 温度除外) 的 影响，但是s m a 微驱动器的响应速度较慢。热膨胀驱动器最大的优点就是 1 2 第l 章绪论 它具有很大的输出力和输出位移，但是它的响应频率较低。制作不同的驱动 器，应根据它所要实现的功能要求、工作环境等方面进行综合考虑。 各种马达的特性分析和比较见表1 1 所示【2 8 】。 表1 1 各种马达的特性分析和比较 1 4 论文主要工作 本论文的主要工作包括五方面： 1 光致弯曲材料的力学特征分析； 2 光致弯曲驱动马达的结构设计分析与研究以及驱动力矩的分析与研究； 3 光致弯曲驱动马达的机械仿真设计分析与研究。 4 光致弯曲驱动马达的实 验分析研究。【5 】光致弯曲驱动马达的制造工艺方法的探讨研究。 论文共包括6 章，各章间的逻辑关系如图1 7 所示。 圈 总结 第6 章 结论和展望 j雾 ：光致弯曲驱动马达分析研究 ； 图1 7论文各章逻辑关系 1 3 第l 章绪论 1 5 本章小结 本课题来源于国家8 6 3 项目。本章用数字与事实阐述了高分子液晶弹性 体的材料特性以及国内外对高分子液晶弹性体的研究现状同时分析了其广 阔的应用前景，并总结当今国内外马达研究发展现状。通过对国内外各种类 型马达的特性分析和比较，可以看出研制光致弯曲驱动马达的价值与意义。 最后指出论文的研究重点与方向。 1 4 第2 章光致弯曲材料的特性分析 第2 章光致弯曲材料的特性分析 2 1 光致弯曲材料概述 液晶弹性体( l c e ) 是指非交联型液晶聚合物经适度交联，并在各向同性 态或液晶态显示弹性的聚合物【2 9 l 。根据介晶基元的排列模式不同。液晶弹性 体可分为向列相液晶弹性体、近晶相液晶弹性体及胆甾相液晶弹性体等。液 晶弹性体结合了液晶的各向异性和聚合物网络的橡胶弹性，因此具有良好的 外场响应性、分子协同作用和弹性。液晶弹性体可以在外场( 电场、温度、 光等) 的刺激下通过改变介晶基元的排列而产生形状的变化。当光致变色分 子( 如偶氮苯) 被引入到液晶弹性体中，在光照下光致变色基团发生的光化学 反应能够引起液晶弹性体的有序度降低，甚至促使其发生相转变，从而导致液 晶弹性体的收缩甚至是弯曲。液晶弹性体的这种外界刺激下的可逆形变使得 其在微型致动器、人工肌肉等方面显示了广阔的应用前景。过去已有一些关 于液晶弹性体的中文综述，如d e n g 3 0 1 、l i n g 3 、l i u l 3 2 1 等人着重介绍了液品 弹性体的合成、结构及物理性质等方而的研究进展。 将偶氮苯、1 , 2 二苯乙烯、俘精酸酐等光致变色分子引入到液晶体系中， 通过光致变色分子的光化学反应可等温地引发液晶的相转变，即光化学相转 变i j 扣 j 。如上所述，液品弹性体具有良好的热弹性，即在热引起的相转变过程 中液晶弹性体沿着介晶基_ ：c 的排列方向收缩和扩张。将此种性质与光化学相 转变结合就实现了液晶弹性体的光敛形变【3 6 。3 1 。因为光是一种可被快速、 精确、远程控制的清洁能源，所以光致形变液晶弹性体成为人们研究的新热 点。 f i n k e l m a n n 等p 6 j 报道了以聚硅氧烷为丰链、偶氮苯基团位于交联部分 的单畴向列相液晶弹性体在紫外光照射下由偶氮苯异构引发的光敏收缩行 为。因为液晶分子通过共价交联形成了一维的聚合物网络结构，偶氮苯的顺 反异构与交联网络的偶合导致了液晶弹性体沿着取向轴的单轴收缩。k e l l e r 等【3 9 j 通过光聚合合成了含偶氮苯的腰挂型向列相液晶弹性体薄膜。该薄膜在 紫外光的照射。卜- 快速收缩，收缩率达到1 8 ，加热使得薄膜恢复原状。 1 5 第2 章光致弯曲材料的特性分析 i k e d a 和俞燕蕾等州首先报道了含有佣氮苯的液晶弹性体薄膜的三维 运动一光致弯曲。研究了紫外光和可见光照射后向列相液晶弹性体薄膜的弯 曲和恢复行为。观察到液晶弹性体薄膜在紫外光的照射下朝着入射光方向弯 曲，用可见光照射后薄膜恢复到最考u 的平展状态。发现薄膜的弯曲行为是各 向异性的，只沿着摩擦方向弯曲。而且加热和采用良溶剂溶胀的方法以促进 高分子链段的运动对实现光致弯曲根重要( 图21 1 。与两维运动模式的光致 收缩相比，光致弯曲模式在人工下、微型机器人的应用方面更具优势。 “喵孙3 6 0h m _ 嘲b l c g r mr u i n 9 d r 崛舯 r u b n 吨d r l 斟2l 川甲苯浒胀的儡铽苯液6 5 弹性体膜的光致弯曲和平腱行为示意圈” 紫外光的照射导致偶氮苯单元发生反式到顺式的异构，降低了向列相的 有序度甚至可以引起向列相到各向同性相的转变。但是偶氮苯单元在3 6 0 h m 的吸光系数很大