第一章 绪论 1
一、现代执行器概念 1
二、现代执行器的定义 2
三、执行器的分类 2
四、执行器的地位与作用 3
五、现代执行器的发展现状与动向 5
六、关于执行器的学科建设问题 11
参考文献 11
第二章 现代执行器的理论基础 13
2.1 执行器的构成 13
2.1.1 执行器的构成法 13
2.1.2 执行器与被控制对象的关联 15
2.1.3 执行器的数学模型及其建摸方法 16
2.1.4 信号选择机能与选择方式 19
2.1.5 执行器的标定基准与精度传递 22
2.2 执行器与传感器(A S)的统一理论 22
2.2.1 A S 的效应的可逆性 22
2.2.2 A S 的物性效应及其模型 23
2.3 机电耦合效应与电磁效应的相似性 32
2.4 机电耦合二次感生效应解析 33
2.4.1 静态情况(从正压电效应开始) 34
2.4.2 静态情况(从逆压电效应开始) 34
2.4.3 试验验证 35
2.4.4 结论 37
2.5 执行器基础件的设计原理 37
2.5.1 执行器用基础件的分类 37
2.5.2 弹性构件的刚度及灵敏设计 37
2.5.3 柔性铰链构件有限元分析 42
2.5.4 微小柔性结构的拓扑优化 44
参考文献 60
第三章 执行器的性能与质量评价 62
3.1 执行器的静态特性 63
3.2 执行器的动态特性 65
3.2.1 执行器的频率响应特性 66
3.2.2 执行器的阶跃响应特性 67
参考文献 68
第四章 压电式执行器 69
4.1 压电执行器的晶体物理基础 69
4.1.1 压电材料的发展 69
4.1.2 几种常用压电材料 70
4.1.3 压电效应 70
4.1.4 广义压电方程 77
4.2 压电陶瓷执行器的驱动 79
4.2.1 压电陶瓷的电压驱动 79
4.2.2 压电陶瓷的电荷驱动 82
4.2.3 压电陶瓷的电荷控制 85
4.3 压电叠堆执行器原理与设计 87
4.3.1 压电叠堆结构与特点 88
4.3.2 压电叠堆的振动规律 89
4.4 小型高频压电激振器的设计实例 91
4.4.1 结构设计 91
4.4.2 谐振频率计算 91
4.4.3 特性测试 92
4.5 压电双晶执行器原理与设计 92
4.5.1 基本结构与原理 92
4.5.3 静态和动态特性 94
4.5.2 压电双晶元件的支撑 94
4.5.4 谐振特性 96
4.6 压电式直线振动给料器的设计实例 97
4.6.1 结构设计 97
4.6.2 实验结果与分析 98
4.7 压电振动执行器控制电路设计实例 100
4.7.1 控制电路的特点 100
4.7.2 自动控制电路的组成及工作原理 100
4.7.3 控制电路原理 101
4.8 压电执行器的应用 103
4.8.1 校准用压电高频振动台 103
4.8.2 压电双晶执行器在光电开关中的应用 104
4.8.3 压电叠堆执行器在显微镜自聚焦中的应用 105
4.8.4 在摆动式 CCD 图像摄取中压电双晶执行器的应用 107
4.8.5 压电叠堆执行器在 VTR 磁头上的应用 108
参考文献 108
第五章 自感知执行器(SSA) 111
5.1 自感知执行器概念 111
5.2 自感知执行器的原理与技术关键 112
5.2.1 压电自感知执行器物理基础 112
5.2.2 感知信号与执行器控制电压之间的耦合 113
5.2.3 自感知执行技术关键 114
5.3 基于电桥电路的自感知执行器 114
5.3.1 无源电桥 114
5.3.2 有源电桥 114
5.3.3 应用 115
5.3.4 电桥电路的自感知执行器改进方案 119
5.4 基于观测器的自感知执行器 122
5.4.1 线性状态观测器 123
5.4.2 建立迟滞模型对迟滞非线性进行补偿 125
5.4.3 有迟滞补偿的状态观测器结构 126
5.4.4 试验装置及试验结果 126
参考文献 127
第六章 超声波执行器 129
6.1 驻波型超声波执行器 129
6.2 行波型超声波执行器 130
6.2.1 旋转式行波超声波执行器 131
6.2.2 直线式行波超声波执行器 134
6.3 圆筒形超声波微电机 135
6.4 悬臂式超声波微电机 138
6.5.1 用于照相机自动聚焦的超声电机 140
6.5.2 用于手表的超声电机 140
6.5 超声波执行器的应用 140
6.5.3 用于汽车上的超声电机 141
6.5.4 用于纸张传送的超声波电机 141
6.5.5 小型与微型压电超声电机 142
6.5.6 用直线式超声电机驱动的 X-Y 分度台 142
参考文献 142
第七章 磁致伸缩执行器 144
7.1 磁致伸缩现象及产生机理 144
7.1.1 磁致伸缩现象及产生机理 144
7.1.2 磁致伸缩唯象方程式 147
7.2 超磁致伸缩材料特性及其驱动方法 149
7.2.1 超磁致伸缩材料 149
7.2.2 超磁致伸缩材料的特性 150
7.2.3 超磁致伸缩材料的驱动形式 158
7.2.4 基于电流的控制模型及驱动方法 161
7.2.5 基于磁感应强度的控制模型及驱动方法 162
7.3.1 超磁致伸缩执行器(GMA) 164
7.3.2 超磁致伸缩执行器的应用 164
7.3 超磁致伸缩执行器的研究及应用 164
7.4 具有磁场与位移感知功能的超磁致伸缩微位移执行器 169
7.4.1 执行器总体结构与工作原理 169
7.4.2 执行器微位移感知功能的原理及实现 171
7.4.3 超磁致伸缩微位移驱动系统 175
7.4.4 微位移驱动系统的实验结果及性能指标 180
参考文献 182
第八章 形状记忆合金执行器 186
8.1 形状记忆效应 186
8.2 形状记忆合金的变形 190
8.3.1 NiTinol 合金的热力学模型及特征量表征 192
8.3 NiTinol 合金特性 192
8.3.2 NiTinol 合金性能及影响因素 197
8.4 形状记忆合金的热-机械特性 200
8.5 形状记忆合金执行器设计 202
8.6 形状记忆合金在振动控制领域中的应用 207
8.6.1 应用 NiTi 形状记忆合金进行振动的主动阻尼控制 207
8.6.2 应用形状记忆合金进行系统谐振频率控制 210
8.7 形状记忆合金驱动的自适应机翼 213
8.8 形状记忆合金薄膜 219
8.9 形状记忆合金薄膜的单元互联执行器 219
8.10 冷轧法制备 SMA 薄膜工艺及其互联执行器 222
8.10.1 冷轧法制备 SMA 薄膜 222
8.10.2 SMA 薄膜单元互联的二维微执行机构 223
8.11.1 硅基 NiTi 薄膜微夹持器结构设计及工作原理 234
8.11 SMA 薄膜驱动硅基微夹持器 234
8.11.2 硅基 NiTi 薄膜微夹持器制造工艺 235
8.11.3 NiTi 薄膜驱动硅微夹持器 238
8.11.4 微夹持器及微操作系统的应用 242
参考文献 244
第九章 仿生执行器 246
9.1 聚合物人工肌肉执行器 246
9.2 气动肌肉执行器 251
9.2.1 结构 251
9.2.2 系统模型 251
9.2.3 人工肌肉执行器性能评价 252
9.2.4 系统测试和结果 253
9.3 聚砒硌和聚苯胺的执行器 253
9.4 人工肌肉与生物肌肉的性能比较 255
参考文献 256
第十章 微型执行器 257
10.1 微型执行器的概念与特点 257
10.2 微执行器的制作工艺 259
10.2.1 超精密机械加工技术 259
10.2.2 能量束(三束)加工技术 259
10.2.3 IC 加工技术 260
10.2.4 LIGA 技术 261
10.2.5 准 LIGA 工艺 263
10.3 典型微执行器 264
10.3.1 微马达 264
10.3.2 微型泵 269
10.3.3 微型阀 270
10.3.4 微夹钳 272
10.4.1 显微成像微操作系统概述 274
10.4 微操作系统 274
10.4.2 系统组成 275
10.4.3 立体成像 275
10.4.4 实验 277
10.5 电流变效应微液动执行器 278
10.5.1 电流变效应与电流变体性能 278
10.5.2 电流变(ER)微执行器原理 278
10.5.3 压电控制执行器 280
10.5.4 LIGA 微执行器的控制 281
参考文献 282
第十一章 微机器人及其执行器 284
11.1 微机器人与 MEMS 的关系 284
11.2.1 微机器人的概念 285
11.2 微机器人的概念、特点及分类 285
11.2.2 微机器人的特点 286
11.2.3 微机器人的分类 286
11.3 微机器人的关键技术问题 287
11.3.1 微执行器 287
11.3.2 微传感器 288
11.3.3 能量的供应 288
11.3.4 控制系统 289
11.4 几种微机器人和微执行器 289
11.4.1 压电式微机器人及其微执行器 289
11.4.2 静电力和电磁力微机器人及微执行器 291
11.4.3 形状记忆合金(SMA)微机器人及微执行器 292
11.4.4 气压驱动微执行器 293
11.4.5 直流微马达驱动 293
11.4.6 其他形式的微执行器 294
11.5 微传感器 295
11.6 能量的供应 296
11.7 控制系统 297
11.8 四足管道微小机器人 299
11.8.1 结构和运动机理 299
11.8.2 试验测试和讨论 300
参考文献 301
第十二章 执行器的电-气信号变换 304
12.1 电-气转换器的发展背景及总体方案 304
12.1.1 国内外电-气转换器的研制和发展状况 304
12.1.2 薄膜电子式电-气转换器总体方案 305
12.2 气路系统的研究和设计 307
12.2.1 喷嘴挡板机构原理与选择 307
12.2.2 气路结构 310
12.2.3 气路静态转换特性实验 318
12.3 弹性元件 320
12.3.1 弹性元件的结构形式与材料性能 320
12.3.2 弹性材料的选择与实验 323
12.3.3 胶粘剂 325
12.4 直流磁路 326
12.4.1 磁路结构选型 326
12.4.2 磁路分析与结构参数优化 326
12.5 电路的设计与分析 329
12.5.1 信号的输入 329
12.5.2 电路设计 329
12.6 电-气转换器的性能测试 333
12.6.1 性能测试 333
12.6.2 现场运行情况 335
参考文献 335