被動(dòng)箝位大行程直線壓電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

曲建俊，郭文峰，李 將，劉 暢

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150001）

0 引 言

隨著壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的快速發(fā)展，蠕動(dòng)式直線壓電驅(qū)動(dòng)器在精密測量、精密加工以及精確定位等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1－3］。其特點(diǎn)是響應(yīng)速度快、運(yùn)行速度低、單步輸出位移小、輸出力較大、結(jié)構(gòu)簡單和操控方便。目前，根據(jù)箝位體箝位方式可分為主動(dòng)箝位驅(qū)動(dòng)器和被動(dòng)箝位驅(qū)動(dòng)器。

近幾年，國內(nèi)外在蠕動(dòng)式直線壓電驅(qū)動(dòng)器方面研究較多。我國主要集中在吉林大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、天津大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)［4－12］。壓電驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)形式較多，主要分為內(nèi)驅(qū)式［5－6，9－12］和 外 驅(qū) 式［4，7－8］兩 大 類，但 多 數(shù) 為 主 動(dòng)箝位的工作方式，其特點(diǎn)是在通電狀態(tài)下箝位體對導(dǎo)軌箝位鎖緊，斷電時(shí)對導(dǎo)軌放松。國外的研究則主要集中在日本、美國、加拿大和瑞士等國家［13－16］。相對于主動(dòng)箝位壓電驅(qū)動(dòng)器研究成果，被動(dòng)箝位式蠕動(dòng)直線壓電驅(qū)動(dòng)器研究成果相對較少，且多數(shù)為內(nèi)箝位工作方式，如吉林大學(xué)研制的內(nèi)箝位步進(jìn)式壓電驅(qū)動(dòng)器通過箝位體和驅(qū)動(dòng)體與軌道之間的摩擦力的不同，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)［6］；南京航空航天大學(xué)研制的多足箝位式壓電直線驅(qū)動(dòng)器通過增加兩個(gè)箝位單元，實(shí)現(xiàn)箝位體任意時(shí)刻均與導(dǎo)軌處于接觸狀態(tài)［10］。2005年，加拿大學(xué)者研制了一款圓柱形被動(dòng)箝位式外箝位壓電驅(qū)動(dòng)器，其箝位體采用了三角放大結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)形變控制［16］。

本文利用被動(dòng)箝位原理，設(shè)計(jì)了一臺(tái)大行程、速度低的非諧振蠕動(dòng)直線型壓電驅(qū)動(dòng)器，利用ANASY 仿真軟件研究了驅(qū)動(dòng)體、箝位體、三角放大鉸和預(yù)緊柔性體等部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定出電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，測試了驅(qū)動(dòng)器的空載和負(fù)載等性能，驗(yàn)證了其原理的可行性。該驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)斷電自鎖，適用于行程大、精密直線驅(qū)動(dòng)的工作環(huán)境。

1 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 驅(qū)動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)

蠕動(dòng)式箝位壓電直線驅(qū)動(dòng)器的工作原理是通過兩個(gè)箝位體和一個(gè)驅(qū)動(dòng)體三者之間在一定的信號時(shí)序控制下實(shí)現(xiàn)電機(jī)的直線驅(qū)動(dòng)。本文研制的壓電驅(qū)動(dòng)器同樣由驅(qū)動(dòng)箝位體、保持箝位體和驅(qū)動(dòng)體組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 箝位體結(jié)構(gòu)

箝位體分為驅(qū)動(dòng)箝位體和保持箝位體，兩者結(jié)構(gòu)相同，分別對導(dǎo)軌進(jìn)行箝位和放松，并配合驅(qū)動(dòng)體伸縮實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。箝位原理是采用上下兩組具有三角放大功能的對稱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)軌的箝位。當(dāng)箝位壓電疊堆通電伸長時(shí)，該結(jié)構(gòu)將壓電疊堆的水平位移轉(zhuǎn)換為箝位頭的垂直位移，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)軌的放松；斷電時(shí)，箝位體在自身彈性力的作用下恢復(fù)對導(dǎo)軌的箝位。

圖1 驅(qū)動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Whole structure of piezoelectric driver

圖2 箝位體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of clamping

1.3 驅(qū)動(dòng)器工作原理

本文研究的被動(dòng)箝位壓電驅(qū)動(dòng)器的工作原理如圖3所示。

由圖3可見，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器與主動(dòng)箝位式驅(qū)動(dòng)器箝位原理相反。驅(qū)動(dòng)器裝配時(shí)，箝位體預(yù)先給導(dǎo)軌施加一定的預(yù)緊力。工作時(shí)，箝位體壓電疊堆通電。

圖3 驅(qū)動(dòng)器工作原理Fig.3 Working principle of piezoelectric driver

2 驅(qū)動(dòng)器主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)體設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)體采用具有矩形截面的薄壁結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示，其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，等效拉伸剛度容易確定。

圖4 驅(qū)動(dòng)體結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Structure of extension body

驅(qū)動(dòng)器選用哈爾濱芯明天公司銷售的壓電疊堆，型號為PSt 150／5×5／20，其結(jié)構(gòu)尺寸為5 mm×5mm×18mm，額定電壓為150V，標(biāo)稱位移為20μm，等效剛度為60N／μm。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)體厚度a＝0.5 mm，高度b＝8 mm，長度為18 mm。

根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸，利用ANSYS軟件對驅(qū)動(dòng)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效拉伸剛度和固有頻率的仿真計(jì)算。通過不同載荷的仿真分析得出，驅(qū)動(dòng)體等效剛度為31.2×106N／m，縱振固有頻率為5000Hz。

2.2 箝位體設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)器箝位體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其結(jié)構(gòu)采用了三角放大原理。由于壓電疊堆的輸出位移為微米級，若采用直接箝位的方式對導(dǎo)軌箝位和放松，箝位體對導(dǎo)軌的釋放間隙量較小或不能完全放松。因此，本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器箝位體采用了三角放大結(jié)構(gòu)，以此來提高箝位壓電疊堆的輸出位移，增加箝位體釋放間隙。

三角放大結(jié)構(gòu)每側(cè)由兩個(gè)半圓形直圓柔性鉸鏈構(gòu)成，通過柔性鉸鏈形變實(shí)現(xiàn)壓電疊堆輸出位移的轉(zhuǎn)化和放大。其結(jié)構(gòu)簡單，易于機(jī)械加工。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5所示。圖5為左側(cè)半個(gè)三角放大結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖5 箝位體三角臂尺寸參數(shù)Fig.5 Dimension parameter of triangulation amplifier

根據(jù)三角放大結(jié)構(gòu)的放大原理，放大倍數(shù)由三角臂與水平軸的夾角α 決定，其放大關(guān)系為［17］：

式中：y 為三角放大結(jié)構(gòu)垂直方向運(yùn)動(dòng)的距離；x為三角放大結(jié)構(gòu)單側(cè)水平方向運(yùn)動(dòng)的距離。

本文設(shè)計(jì)的箝位體位移放大倍數(shù)的理論值為4，即y／（2x）＝4，此時(shí)的三角臂與水平軸的夾角α＝7°。圖6為水平方向加載位移載荷，使三角放大結(jié)構(gòu)產(chǎn)生19μm 位移時(shí)箝位頭垂直方向的位移云圖。

在確定三角放大倍數(shù)的基礎(chǔ)上，固有頻率為箝位體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的另一個(gè)主要參數(shù)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)器工作原理可知，若要滿足驅(qū)動(dòng)器正常運(yùn)行，箝位體固有頻率與驅(qū)動(dòng)體固有頻率應(yīng)滿足以下關(guān)系：即箝位體固有頻率應(yīng)大于等于驅(qū)動(dòng)體固有頻率，以滿足箝位體對導(dǎo)軌及時(shí)地放松和箝位。

圖6 三角放大結(jié)構(gòu)水平和垂直位移云圖Fig.6 Vertical displacement of triangulation amplifier

利用ANSYS多次仿真計(jì)算可得，當(dāng)直圓柔性鉸鏈厚度t＝0.6mm，半徑R＝1mm 時(shí)，其響應(yīng)頻率為8888Hz，遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)體響應(yīng)頻率5000 Hz。因此，該結(jié)構(gòu)尺寸可以滿足驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的基本要求。

2.3 箝位壓電疊堆預(yù)緊柔性體設(shè)計(jì)

箝位壓電疊堆預(yù)緊柔性體結(jié)構(gòu)簡圖如圖7所示。其結(jié)構(gòu)可簡化為中間具有集中質(zhì)量，兩端為固定端支撐結(jié)構(gòu)。通過柔性體彈性變形作用實(shí)現(xiàn)對箝位壓電疊堆的預(yù)緊和定位，同時(shí)起到保護(hù)壓電疊堆，避免其承受彎曲載荷的作用。

圖7 箝位壓電疊堆預(yù)緊結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of preloading clamping PZT

通過改變?nèi)嵝泽w厚度和長度，并利用ANSYS進(jìn)行多次仿真計(jì)算得出，當(dāng)厚度為0.7 mm，長度為5 mm 時(shí)，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率為8785 Hz，遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)體響應(yīng)頻率，滿足驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行要求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 驅(qū)動(dòng)器制作

驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)體和箝位體結(jié)構(gòu)均采用7075硬鋁合金材料，并利用線切割加工制作而成。加工裝配后的驅(qū)動(dòng)器原理樣機(jī)如圖8所示。

圖8 驅(qū)動(dòng)器原理樣機(jī)Fig.8 Prototype of driver

硬鋁合金的優(yōu)點(diǎn)在于強(qiáng)度高、彈性模量小，驅(qū)動(dòng)體和箝位體等效剛度小，壓電疊堆在其彈性負(fù)載作用下輸出位移較大，最大限度地減小壓電疊堆輸出位移的損失。

3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖9所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以測量驅(qū)動(dòng)器空載以及不同負(fù)載下的驅(qū)動(dòng)器性能。驅(qū)動(dòng)器電源由哈爾濱芯明天公司生產(chǎn)，其型號為XE－501，其輸出電壓為0～150V。驅(qū)動(dòng)器輸出位移測試傳感器采用基恩士公司生產(chǎn)的LKG 系列的高速、高精確CCD 激光位移傳感器，其精確測量位移值為0.1μm。

圖9 驅(qū)動(dòng)器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.9 Experimental testing system of driver

3.3 驅(qū)動(dòng)器空載特性

驅(qū)動(dòng)器在150V 額定驅(qū)動(dòng)電壓下，空載特性如圖10所示。驅(qū)動(dòng)器空載運(yùn)行速度隨驅(qū)動(dòng)頻率的增大先增大后減小。當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率為70Hz時(shí)達(dá)到最大值，其值為0.43mm／s。

理想工作狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行速度與驅(qū)動(dòng)頻率和單步位移的關(guān)系為：

式中：v為驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行速度；L0為驅(qū)動(dòng)體單步輸出位移。

圖10 驅(qū)動(dòng)器空載特性Fig.10 No load characteristic of driver

實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)是驅(qū)動(dòng)頻率大于一定值后，驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行速度開始下降。分析產(chǎn)生此工作狀態(tài)的原因是由于金屬材料存在阻尼，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)體動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率較低。高頻驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)體伸縮狀態(tài)不能隨壓電疊堆的斷電復(fù)位而復(fù)位，驅(qū)動(dòng)體出現(xiàn)振動(dòng)懸浮狀態(tài)，導(dǎo)致單步輸出位移減小，驅(qū)動(dòng)器速度下降。

3.4 驅(qū)動(dòng)器負(fù)載特性

研究了驅(qū)動(dòng)器在不同驅(qū)動(dòng)頻率、額定驅(qū)動(dòng)電壓150V 條件下的負(fù)載特性，結(jié)果表明，當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率為50Hz左右時(shí)，驅(qū)動(dòng)器負(fù)載特性較平穩(wěn)，驅(qū)動(dòng)力和空載運(yùn)行速度較大，分別為2.1 N 和0.38 mm／s，如圖11所示。

圖11 50Hz頻率驅(qū)動(dòng)下的負(fù)載特性Fig.11 Load characteristic of driver under 50Hz

由圖11可見，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力遠(yuǎn)小于箝位體保持力（后面章節(jié)闡述），分析導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力較小的原因是由于箝位體在通電時(shí)不能實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)軌完全放松，仍具有一定的箝位保持力，影響驅(qū)動(dòng)器正常工作，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力較小。

3.5 驅(qū)動(dòng)電壓對驅(qū)動(dòng)力的影響

在50 Hz驅(qū)動(dòng)頻率、0.05 mm／s 運(yùn)動(dòng)速度下，測試了驅(qū)動(dòng)電壓對驅(qū)動(dòng)力的影響，結(jié)果如圖12所示。

圖12 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系Fig.12 Relationship between driving force and voltage

由圖12可見，驅(qū)動(dòng)力隨驅(qū)動(dòng)電壓的增大近似線性增長。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為58V、運(yùn)動(dòng)速度為0.05 mm／s時(shí)，驅(qū)動(dòng)力為零。表明箝位體三角放大結(jié)構(gòu)在導(dǎo)軌預(yù)緊力的作用下產(chǎn)生了一定的壓縮量，箝位體壓電疊堆在驅(qū)動(dòng)電壓較低時(shí)，水平位移量較小，不足以克服預(yù)緊壓縮量，致使箝位體三角放大結(jié)構(gòu)箝位頭不能產(chǎn)生垂直方向的位移，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)軌的放松。

3.6 箝位體保持力

在通電和斷電時(shí)，分別測試了驅(qū)動(dòng)箝位和保持箝位對導(dǎo)軌的箝位力，測試結(jié)果如圖13所示。由圖可見，曲線1為保持箝位體在額定電壓下，驅(qū)動(dòng)箝位體電壓不同時(shí)，驅(qū)動(dòng)器保持箝位力的大?。磺€2表示驅(qū)動(dòng)箝位體在額定電壓下，保持箝位體電壓不同時(shí)，驅(qū)動(dòng)器保持箝位力的大小。由圖13可見，驅(qū)動(dòng)箝位體從斷電至額定電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器對導(dǎo)軌箝位力減小約2N；同理，保持箝位體從斷電至額定電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器對導(dǎo)軌箝位力減小約3N。上述2種情況的箝位力減小量均遠(yuǎn)小于驅(qū)動(dòng)器17N 的保持箝位力。

圖13 箝位體保持力Fig.13 Holding force of clamping bodies

圖13中結(jié)果證實(shí)了驅(qū)動(dòng)箝位體和保持箝位體在通電狀態(tài)下對導(dǎo)軌不能完全放松或放松程度較小，從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力較小。分析產(chǎn)生此現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是由于箝位體壓電疊堆預(yù)緊柔性體的等效剛度大于三角放大結(jié)構(gòu)的等效剛度。當(dāng)對導(dǎo)軌進(jìn)行預(yù)緊時(shí)，三角放大結(jié)構(gòu)被壓縮，產(chǎn)生預(yù)緊壓縮現(xiàn)象。當(dāng)箝位體壓電疊堆通電伸長時(shí)，需要先克服該壓縮量，然后才能實(shí)現(xiàn)箝位頭的垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)壓縮量過大時(shí)導(dǎo)軌不能被完全放松。因此，在下一階段的深入研究中，應(yīng)重點(diǎn)優(yōu)化箝位體的各部分結(jié)構(gòu)的等效剛度，實(shí)現(xiàn)各部分結(jié)構(gòu)的剛度匹配，提高驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能。

4 結(jié) 論

（1）研制了一款蠕動(dòng)式被動(dòng)箝位壓電直線驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器箝位體采用了三角放大結(jié)構(gòu)，放大箝位壓電疊堆的輸出位移，提高箝位體運(yùn)動(dòng)位移。驅(qū)動(dòng)器具有斷電自鎖、節(jié)能以及大行程的特點(diǎn)，可應(yīng)用在精密驅(qū)動(dòng)和定位系統(tǒng)。

（2）驅(qū)動(dòng)器在50Hz時(shí)運(yùn)行比較平穩(wěn)，其最大驅(qū)動(dòng)力約為2.1N，空載運(yùn)行速度約為0.38mm／s，在70 Hz時(shí)，空載運(yùn)行速度最大，約為0.43 mm／s。

（3）驅(qū)動(dòng)器具有較高的響應(yīng)頻率。驅(qū)動(dòng)器目前驅(qū)動(dòng)力較小，其值遠(yuǎn)小于導(dǎo)軌的保持力，主要是由于箝位體受到壓縮導(dǎo)致其在額定電壓驅(qū)動(dòng)下不能對導(dǎo)軌完全放松，需進(jìn)一步優(yōu)化箝位體尺寸，實(shí)現(xiàn)預(yù)緊和放大的剛度匹配。此外，還應(yīng)研究不同預(yù)緊狀態(tài)對驅(qū)動(dòng)器性能的影響。

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