預(yù)緊對(duì)蠕動(dòng)式被動(dòng)箝位壓電驅(qū)動(dòng)器性能的影響

曲建俊，郭文峰

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

壓電驅(qū)動(dòng)器在精密加工、精密驅(qū)動(dòng)以及航天工程等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景.根據(jù)激勵(lì)方式，壓電驅(qū)動(dòng)器主要分為諧振式和非諧振式.非諧振式壓電驅(qū)動(dòng)器主要工作在幾十至幾百赫茲的聲頻范圍，其特點(diǎn)是運(yùn)行速度極低，定位精確而且驅(qū)動(dòng)力大［1-2］.常見的非諧振壓電驅(qū)動(dòng)器主要有壓電微位移驅(qū)動(dòng)器、慣性沖擊式驅(qū)動(dòng)器和蠕動(dòng)式壓電驅(qū)動(dòng)器，其中，蠕動(dòng)式壓電驅(qū)動(dòng)器具有行程大，運(yùn)行速度低以及定位精確的特點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注.根據(jù)箝位體產(chǎn)生箝位力機(jī)理的不同，蠕動(dòng)式壓電驅(qū)動(dòng)器主要分為主動(dòng)箝位壓電驅(qū)動(dòng)器和被動(dòng)箝位壓電驅(qū)動(dòng)器［3-4］.主動(dòng)箝位直線壓電驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)是通電時(shí)箝位體對(duì)導(dǎo)軌箝位，斷電時(shí)對(duì)導(dǎo)軌放松［5-6］;反之，被動(dòng)箝位直線壓電驅(qū)動(dòng)器斷電時(shí)箝位體對(duì)導(dǎo)軌箝位鎖緊，通電時(shí)對(duì)導(dǎo)軌放松，具有無源自鎖的特點(diǎn)［7-8］.

由于兩種類型驅(qū)動(dòng)器箝位力產(chǎn)生機(jī)理不同，導(dǎo)致影響驅(qū)動(dòng)力的因素不同.主動(dòng)箝位驅(qū)動(dòng)器的箝位力由箝位體彈性變形后對(duì)導(dǎo)軌箝位產(chǎn)生.箝位體與導(dǎo)軌之間的間隙影響箝位力的大小，間隙越小，箝位力和驅(qū)動(dòng)力越大;反之，箝位力和驅(qū)動(dòng)力越?。?］.被動(dòng)箝位直線壓電驅(qū)動(dòng)器的箝位力在裝配時(shí)由箝位體與導(dǎo)軌間的預(yù)緊力決定［10-11］.理論上，預(yù)緊力越大，箝位體對(duì)導(dǎo)軌箝位力越大，驅(qū)動(dòng)力越大;反之，驅(qū)動(dòng)力越小.實(shí)際上，驅(qū)動(dòng)力的大小還與箝位體通電時(shí)對(duì)導(dǎo)軌的放松程度有關(guān)，這主要取決于預(yù)緊力或預(yù)緊狀態(tài).目前，許多被動(dòng)箝位直線壓電驅(qū)動(dòng)器為提高箝位體對(duì)導(dǎo)軌的放松程度均采用了位移放大結(jié)構(gòu)，如杠桿放大、三角放大和橢圓放大［12-14］.由于放大結(jié)構(gòu)具有一定的壓縮剛度，在預(yù)緊力的作用下將產(chǎn)生壓縮變形.即使箝位體對(duì)導(dǎo)軌預(yù)緊力較大，但箝位體壓電疊堆在額定電壓下的有效輸出位移無法克服壓縮變形，導(dǎo)致箝位體對(duì)導(dǎo)軌放松程度較小.因此，研究預(yù)緊力或預(yù)緊狀態(tài)對(duì)驅(qū)動(dòng)器性能影響十分必要.

本文基于已研制的蠕動(dòng)式被動(dòng)箝位直線壓電驅(qū)動(dòng)器［15］，研究其在不同預(yù)緊狀態(tài)下箝位力的大小以及空載特性和負(fù)載特性，分析預(yù)緊狀態(tài)或預(yù)緊力對(duì)驅(qū)動(dòng)器性能的影響.探討驅(qū)動(dòng)器在一定的預(yù)緊力范圍內(nèi)性能隨預(yù)緊力的變化規(guī)律，為預(yù)緊力選擇提供依據(jù).

1 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

前期研制的壓電驅(qū)動(dòng)器由驅(qū)動(dòng)箝位體、保持箝位體、驅(qū)動(dòng)體和導(dǎo)軌4部分組成［15］，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.驅(qū)動(dòng)體為矩形截面薄板結(jié)構(gòu)，壓電疊堆通斷電時(shí)，驅(qū)動(dòng)體沿軸向伸縮變形.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，每組采用上下兩個(gè)三角放大結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.裝配時(shí)，箝位體對(duì)導(dǎo)軌預(yù)先施加預(yù)緊力.當(dāng)壓電疊堆通斷電時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)軌的放松和箝位.

圖1 驅(qū)動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)俯視圖

圖2 箝位體結(jié)構(gòu)

2 箝位體壓縮變形

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

選用哈爾濱芯明天公司型號(hào)為PSt 150/5×5/20壓電疊堆，結(jié)構(gòu)尺寸為5 mm×5 mm×18 mm，額定電壓為150 V，標(biāo)稱位移為 20μm，等效剛度為60 N/μm.驅(qū)動(dòng)器電源的輸出電壓為0～150 V可調(diào).驅(qū)動(dòng)器輸出位移的測(cè)量采用基恩士公司生產(chǎn)的LK-G系列，高速、高精確CCD激光位移傳感器，其精確測(cè)量位移值為0.1μm.

由于直接測(cè)量箝位體與導(dǎo)軌間的箝位力比較困難，本文通過調(diào)整預(yù)緊狀態(tài)的方法來改變箝位體與導(dǎo)軌間的預(yù)緊力，通過測(cè)量箝位體對(duì)導(dǎo)軌的箝位保持力來間接評(píng)價(jià)箝位力的大小.預(yù)緊狀態(tài)調(diào)整方法如圖2所示，通過改變調(diào)整墊片3的厚度，可以改變箝位體與導(dǎo)軌間的預(yù)緊狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的調(diào)節(jié).箝位保持力測(cè)試方法如圖3所示，驅(qū)動(dòng)器水平固定于實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，將拉力計(jì)一端與導(dǎo)軌連接，水平且緩慢地拖動(dòng)另一端，使拉力計(jì)數(shù)值緩慢地增加，直至導(dǎo)軌開始滑動(dòng)，數(shù)值不再增加為止.

圖3 箝位保持力測(cè)試方法

2.2 不同預(yù)緊狀態(tài)下箝位保持力

在4種不同預(yù)緊狀態(tài)下測(cè)試了驅(qū)動(dòng)箝位體對(duì)導(dǎo)軌保持力的大小.實(shí)驗(yàn)方法是，驅(qū)動(dòng)箝位體和保持箝位體同時(shí)加載相同電壓時(shí)，測(cè)量導(dǎo)軌所承受的箝位保持力.由狀態(tài)1～狀態(tài)4，每種預(yù)緊狀態(tài)調(diào)整墊片厚度相差0.05 mm且為逐次遞減，箝位體對(duì)導(dǎo)軌箝位力則逐漸增加.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

圖4 不同箝位電壓下導(dǎo)軌箝位力

由圖4可見，預(yù)緊狀態(tài)1時(shí)，箝位體與導(dǎo)軌間的預(yù)緊力較小，箝位體壓電疊堆在斷電狀態(tài)下，箝位保持力為6 N，箝位電壓為額定電壓150 V時(shí)，箝位保持力接近于0 N，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明箝位體在額定電壓下可以對(duì)導(dǎo)軌接近完全放松.

在預(yù)緊狀態(tài)2和預(yù)緊狀態(tài)3時(shí)，箝位體與導(dǎo)軌間的預(yù)緊力增加.箝位壓電疊堆在斷電狀態(tài)下，箝位體對(duì)導(dǎo)軌保持力分別為17.4 N和23.0 N;在額定電壓150 V時(shí)，導(dǎo)軌仍具有較大的剩余箝位保持力，分別為11.2 N和19.2 N.該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著預(yù)緊力的增加，箝位體在額定電壓下對(duì)導(dǎo)軌不能完全放松或放松量變小.產(chǎn)生該實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因是:箝位體三角放大結(jié)構(gòu)具有一定的壓縮剛度，在預(yù)緊力的作用下產(chǎn)生壓縮變形，當(dāng)變形量大于箝位體壓電疊堆有效輸出位移時(shí)，箝位體不能對(duì)導(dǎo)軌完全放松.

當(dāng)驅(qū)動(dòng)器箝位體處于預(yù)緊狀態(tài)4時(shí)，箝位體與導(dǎo)軌間的預(yù)緊力將繼續(xù)增加，箝位壓電疊堆在斷電狀態(tài)下，箝位保持力為35 N.雖然箝位體對(duì)導(dǎo)軌具有較大的箝位保持力，但較大的預(yù)緊力導(dǎo)致箝位體三角放大結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓縮變形量也比較大，隨著箝位電壓的增加，箝位體對(duì)導(dǎo)軌放松程度變小，剩余箝位力較大且不穩(wěn)定.

2.3 箝位體壓縮變形仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述實(shí)驗(yàn)中箝位體壓縮變形的存在，利用ANSYS有限元軟件仿真的方法分別對(duì)箝位體結(jié)構(gòu)進(jìn)行正向放大倍數(shù)和反向放大倍數(shù)分析，以此來證明箝位體在預(yù)緊力的作用下產(chǎn)生壓縮變形，仿真方法如圖5所示.

圖5 箝位體壓縮變形仿真方法

由圖5可見，正向放大倍數(shù)的仿真方法是在箝位體兩側(cè)施加水平位移載荷x，并計(jì)算箝位頭垂直位移y，根據(jù)垂直位移和水平位移的比值計(jì)算正向放大倍數(shù);反向放大倍數(shù)仿真分析方法是在箝位頭處沿垂直方向施加力載荷F，模擬箝位體所承受的預(yù)緊力.通過仿真計(jì)算得到預(yù)緊力作用下，箝位頭垂直位移y和水平位移x，根據(jù)位移值計(jì)算反向放大倍數(shù):

式中:A為箝位體正向(或反向)放大倍數(shù)，y為箝位頭垂直方向位移，x為箝位兩端水平位移載荷.

根據(jù)上述方法，得仿真計(jì)算位移值如表1所示.

表1 正、反向放大倍數(shù)仿真位移值

根據(jù)表1仿真數(shù)據(jù)和式(1)計(jì)算得正、反向放大倍數(shù)分別為2.23倍和6.45倍.可以看出，箝位體反向放大倍數(shù)大于正向放大倍數(shù)，表明箝位體兩端產(chǎn)生相同水平位移時(shí)，箝位頭反向運(yùn)動(dòng)垂直位移大于正向運(yùn)動(dòng)放大時(shí)的垂直位移，即箝位體產(chǎn)生了壓縮變形，證明了2.2節(jié)箝位體保持力實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生剩余箝位力的原因.箝位體工作時(shí)，箝位壓電疊堆有效輸出位移需要先克服箝位體產(chǎn)生的壓縮變形，然后才能驅(qū)動(dòng)箝位頭產(chǎn)生垂直位移.當(dāng)預(yù)緊力較大時(shí)，壓縮變形量較大，箝位壓電疊堆有效輸出位移無法完全克服箝位體壓縮變形量，導(dǎo)致箝位體對(duì)導(dǎo)軌不能完全放松，剩余箝位力較大.

分析導(dǎo)致箝位體壓縮變形的主要原因是由于箝位體采用了三角放大結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中直圓柔性鉸鏈為薄弱部分，其剛度較小.在預(yù)緊力作用下產(chǎn)生壓縮和偏轉(zhuǎn)，宏觀上表現(xiàn)為箝位體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓縮變形.

3 驅(qū)動(dòng)器性能實(shí)驗(yàn)

3.1 不同預(yù)緊狀態(tài)下空載特性

測(cè)試了驅(qū)動(dòng)器在4種不同預(yù)緊狀態(tài)下的空載特性，當(dāng)驅(qū)動(dòng)體電壓和箝位體電壓均為額定電壓150 V時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

由圖6可見，隨著預(yù)緊力的增加，驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率逐漸降低.狀態(tài)1的最大響應(yīng)頻率可達(dá)710 Hz(圖中未完全畫出)，狀態(tài)2和狀態(tài)3的最大響應(yīng)頻率均為230 Hz，狀態(tài)4最大響應(yīng)頻率為190 Hz.每種預(yù)緊狀態(tài)下存在最大運(yùn)行速度，隨著預(yù)緊力的增加，相應(yīng)狀態(tài)下的最大運(yùn)行速度及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)頻率降低.預(yù)緊狀態(tài)1時(shí)，驅(qū)動(dòng)器最大空載運(yùn)行速度為1.47 mm/s，驅(qū)動(dòng)頻率為130 Hz;預(yù)緊狀態(tài)2和預(yù)緊狀態(tài)3的最大空載運(yùn)行速度分別為 0.43 mm/s 和 0.34 mm/s，驅(qū)動(dòng)頻率分別為70 Hz和110 Hz;預(yù)緊狀態(tài)4時(shí)，驅(qū)動(dòng)器空載最大運(yùn)行速度為0.16 mm/s，驅(qū)動(dòng)頻率為70 Hz.

圖6 不同預(yù)緊狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)器的空載特性

由2.2節(jié)箝位保持力實(shí)驗(yàn)可知，預(yù)緊狀態(tài)1時(shí)，箝位體對(duì)導(dǎo)軌剩余箝位力為0，箝位體在額定電壓下可以充分地對(duì)導(dǎo)軌放松.因此，驅(qū)動(dòng)器在預(yù)緊狀態(tài)1條件下工作時(shí)，箝位體與導(dǎo)軌間滑動(dòng)量較小，驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行速度較高.當(dāng)箝位體對(duì)導(dǎo)軌預(yù)緊力增加時(shí)，箝位體產(chǎn)生壓縮變形，箝位體在額定電壓下，無法對(duì)導(dǎo)軌完全放松，存在剩余箝位力.驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)箝位體和保持箝位體的剩余箝位力互相干涉，導(dǎo)軌與箝位體之間滑動(dòng)量較大，驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行速度降低.

預(yù)緊狀態(tài)一定時(shí)，驅(qū)動(dòng)器空載運(yùn)行速度隨驅(qū)動(dòng)頻率的增加呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢(shì)，高頻驅(qū)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度的變化不穩(wěn)定.產(chǎn)生上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因是，低頻工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)體可以充分地跟隨壓電疊堆伸長(zhǎng)和復(fù)位，驅(qū)動(dòng)體振幅較大，運(yùn)行速度隨驅(qū)動(dòng)頻率的增加而提高;當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率較高時(shí)，由于金屬材料具有阻尼，驅(qū)動(dòng)體在壓電疊堆斷電時(shí)不能完全復(fù)位，驅(qū)動(dòng)體振幅隨驅(qū)動(dòng)頻率的增加而減小，產(chǎn)生振動(dòng)懸浮現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行速度降低.為驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)體振動(dòng)懸浮，測(cè)試了驅(qū)動(dòng)體在驅(qū)動(dòng)電壓150 V，1 Hz(10個(gè)周期)、50 Hz(100個(gè)周期)、110 Hz(150個(gè)周期)工作條件下，有效輸出位移隨驅(qū)動(dòng)頻率的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.

由圖7可見，當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率為1 Hz時(shí)，驅(qū)動(dòng)體壓電疊堆斷電時(shí)，驅(qū)動(dòng)體可以隨壓電疊堆斷電而充分地復(fù)位，其振幅約為15.3μm;當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率為50 Hz時(shí)，驅(qū)動(dòng)體已不能完全復(fù)位，驅(qū)動(dòng)體在伸長(zhǎng)量大約為8μm處微幅振動(dòng)，表現(xiàn)為振動(dòng)懸浮現(xiàn)象，振動(dòng)幅值也減小，約為2.55μm;當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率進(jìn)一步增加時(shí)，達(dá)到110 Hz，振動(dòng)懸浮現(xiàn)象更加明顯，振動(dòng)幅值也減小為1.7μm.因此，隨著驅(qū)動(dòng)頻率增加，驅(qū)動(dòng)體表現(xiàn)為有效輸出位移降低，驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行速度下降.

圖7 驅(qū)動(dòng)箝位體有效輸出位移隨頻率的變化

3.2 不同預(yù)緊狀態(tài)下負(fù)載特性

測(cè)試了驅(qū)動(dòng)電壓為150 V時(shí)，不同預(yù)緊狀態(tài)對(duì)驅(qū)動(dòng)器負(fù)載特性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8.不同預(yù)緊狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)器達(dá)到最佳負(fù)載特性時(shí)的驅(qū)動(dòng)頻率不同.預(yù)緊力較小(狀態(tài)1)，驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)頻率為110 Hz時(shí)負(fù)載特性較好，最大運(yùn)行速度為1.43 mm/s，最大驅(qū)動(dòng)力為 1.5 N.隨著預(yù)緊力的增加，在預(yù)緊狀態(tài)2和預(yù)緊狀態(tài)3，驅(qū)動(dòng)頻率為50～70 Hz時(shí)驅(qū)動(dòng)器負(fù)載特性較好，驅(qū)動(dòng)力增至2.1 N，最大運(yùn)行速度約為 0.3 mm/s.當(dāng)預(yù)緊力繼續(xù)增加，在預(yù)緊狀態(tài)4時(shí)，驅(qū)動(dòng)器性能降低，最大驅(qū)動(dòng)力為1.9 N，最大運(yùn)行速度僅為0.12 mm/s.

圖8 不同預(yù)緊狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載特性

由2.2節(jié)箝位保持力實(shí)驗(yàn)可知，預(yù)緊力較小(狀態(tài)1)時(shí)，箝位體可以對(duì)導(dǎo)軌完全放松，導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)與箝位體之間滑動(dòng)量較小，單步輸出位移較大，導(dǎo)軌運(yùn)行速度較快，但較小的預(yù)緊力導(dǎo)致箝位力和驅(qū)動(dòng)力較小.隨著預(yù)緊力的增加(狀態(tài)2和狀態(tài)3)，箝位體三角放大結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓縮變形，箝位體對(duì)導(dǎo)軌放松程度變小，導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)與箝位體之間滑動(dòng)量增加，運(yùn)行速度降低，但由于預(yù)緊力的增加使得驅(qū)動(dòng)力上升.預(yù)緊力過大時(shí)(狀態(tài)4)，箝位體三角放大結(jié)構(gòu)的壓縮變形量較大，箝位體對(duì)導(dǎo)軌放松程度較小，驅(qū)動(dòng)箝位體和保持箝位體的剩余箝位力干涉嚴(yán)重，驅(qū)動(dòng)器性能變差，驅(qū)動(dòng)力變小，運(yùn)行速度降低.因此，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力的大小與箝位體和導(dǎo)軌間的預(yù)緊力相關(guān)，合適的預(yù)緊力可以使驅(qū)動(dòng)力達(dá)到最大值，較大和較小的預(yù)緊力均會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力下降.

3.3 位移時(shí)間響應(yīng)特性

測(cè)試了驅(qū)動(dòng)器不同驅(qū)動(dòng)電壓下空載連續(xù)運(yùn)動(dòng)10步位移的時(shí)間響應(yīng)特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示.實(shí)驗(yàn)條件為:箝位體在斷電狀態(tài)下雙箝位保持力為7.2 N，額定電壓下雙箝位保持力為0.2 N，該預(yù)緊狀態(tài)與前文預(yù)緊狀態(tài)1較為接近;驅(qū)動(dòng)電壓分別為50、100和150 V，驅(qū)動(dòng)頻率為1 Hz.

圖9 驅(qū)動(dòng)器位移時(shí)間響應(yīng)特性

由圖9可見，不同驅(qū)動(dòng)電壓下，驅(qū)動(dòng)器有較為穩(wěn)定的單步位移，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的降低，驅(qū)動(dòng)器單步輸出位移逐漸減小.表明驅(qū)動(dòng)器箝位穩(wěn)定性較好，工作性能穩(wěn)定，適用于精密驅(qū)動(dòng)等工作環(huán)境.

4 結(jié)論

1)箝位體三角放大結(jié)構(gòu)在預(yù)緊力的作用下產(chǎn)生壓縮變形，導(dǎo)致箝位體在額定電壓下不能對(duì)導(dǎo)軌完全放松.

2)預(yù)緊力對(duì)驅(qū)動(dòng)器空載特性和負(fù)載特性有顯著影響.當(dāng)預(yù)緊力較小時(shí)，驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行速度較快，但驅(qū)動(dòng)力較小;當(dāng)預(yù)緊力較大時(shí)，箝位體間剩余箝位力互相干涉，驅(qū)動(dòng)器性能降低;合適的預(yù)緊力可以使驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力達(dá)到最大值.

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