具有偏置結(jié)構(gòu)的非對稱慣性壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器

程光明，陳　康，溫建明，邢春美，曾　平，鮑慧璐

(浙江師范大學(xué) 精密機(jī)械研究所，浙江 金華 321004)

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具有偏置結(jié)構(gòu)的非對稱慣性壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器

程光明，陳康，溫建明*，邢春美，曾平，鮑慧璐

(浙江師范大學(xué) 精密機(jī)械研究所，浙江 金華 321004)

為改善慣性壓電驅(qū)動(dòng)器輸出性能，提出了一種新型具有偏置結(jié)構(gòu)的非對稱慣性壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器。在非對稱夾持的基礎(chǔ)上，定義了一種偏置結(jié)構(gòu)。為了解偏置結(jié)構(gòu)對驅(qū)動(dòng)器輸出性能的影響，建立了機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型方程，推導(dǎo)并仿真分析了驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)特性。設(shè)計(jì)、制作了試驗(yàn)樣機(jī)，搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)；進(jìn)行了試驗(yàn)測試并與無偏置結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了性能對比。結(jié)果表明：偏置距離為15 mm時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出步距角速度最大。與無偏置結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器相比，驅(qū)動(dòng)電壓為100 V、23 Hz時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出最大角速度從3.48 rad/s增加至5.39 rad/s，增幅達(dá)54.88%，驅(qū)動(dòng)器最大驅(qū)動(dòng)力矩從2.41 N·mm增加至3.62 N·mm，增幅達(dá)50.2%；驅(qū)動(dòng)電壓為100 V，4 Hz時(shí)，驅(qū)動(dòng)器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的承載量達(dá)1 300 g。理論與試驗(yàn)結(jié)果表明，提出的有偏置結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器具有輸出步距角速度和驅(qū)動(dòng)力矩更大的特點(diǎn)。

壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器；慣性驅(qū)動(dòng)器；非對稱夾持；偏置結(jié)構(gòu)；輸出特性

1　引　言

近年來，精密驅(qū)動(dòng)器的研究逐漸成為熱點(diǎn)，在超精密加工[1]、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)[2]、航空航天[3]、應(yīng)用光學(xué)[4]以及復(fù)合材料[5]等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。其所需的運(yùn)動(dòng)范圍和分辨率分別在微米和納米級(jí)別。壓電精密驅(qū)動(dòng)器作為精密驅(qū)動(dòng)器，因結(jié)構(gòu)簡單、精度高、響應(yīng)快速、驅(qū)動(dòng)行程大、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。

但是，目前國內(nèi)外研究者們所提出的以壓電晶片為驅(qū)動(dòng)元件的壓電驅(qū)動(dòng)器，其驅(qū)動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)速度相對較小，較難承受大的負(fù)載，也不易實(shí)現(xiàn)快速定位。W.M.Chen，T.S.Liu提出一種可作直線、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的二自由度壓電驅(qū)動(dòng)器，其最大旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到3.72 rad/s，最大驅(qū)動(dòng)力達(dá)到2.32 mN[6]。Paik等人提出的慣性沖擊式超聲電機(jī)的輸出力可達(dá)到100 mN[7]。曾平等人研制的通過切換驅(qū)動(dòng)頻率可獲得雙向旋轉(zhuǎn)特性的慣性壓電驅(qū)動(dòng)器，將最大步距角速度提高至5.23 rad/s[8]。Guangming Cheng等人研究的基于非對稱夾持結(jié)構(gòu)的慣性壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，通過引入磁場力，使最大步距角速度達(dá)到4.02 rad/s，最大驅(qū)動(dòng)力達(dá)到0.98 N[9]。對于輸出步距角速度和驅(qū)動(dòng)力，上述驅(qū)動(dòng)器普遍只在單方面擁有顯著優(yōu)點(diǎn)，在另一方面稍有缺陷，致使此類壓電驅(qū)動(dòng)器在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。因此，驅(qū)動(dòng)器的輸出步距角速度、驅(qū)動(dòng)力等輸出性能的提升仍有很大空間。慣性壓電驅(qū)動(dòng)器按運(yùn)動(dòng)機(jī)理不同可分為電控式和機(jī)械控制式。電控式采用非對稱驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電路系統(tǒng)較為復(fù)雜，通過非對稱電信號(hào)的調(diào)整來改善輸出性能將使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更加復(fù)雜化；而機(jī)械控制式則在對稱電信號(hào)下，采用機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器輸出性能的改善，將使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)趨于簡單。本文通過驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)來改善其輸出性能。

本文提出了一種新型的具有偏置結(jié)構(gòu)的非對稱慣性壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器。在非對稱夾持的基礎(chǔ)上，定義了一種偏置結(jié)構(gòu)，通過該結(jié)構(gòu)改善驅(qū)動(dòng)器的輸出性能，使得設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位，具有高負(fù)載承受能力，滿足實(shí)際需求。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)機(jī)理

2.1驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

具有偏置結(jié)構(gòu)的非對稱慣性壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。旋轉(zhuǎn)軸由橫梁與基板上的一對軸承支撐；旋轉(zhuǎn)軸頂部固定用于測量驅(qū)動(dòng)器承載性能的承載裝置；承載裝置下端裝有與軸過盈配合、用于探測驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行狀況的指針；摩擦力調(diào)節(jié)裝置通過旋轉(zhuǎn)推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，改變摩擦塊與旋轉(zhuǎn)軸的預(yù)緊力來實(shí)現(xiàn)摩擦力調(diào)整；底部基板用于增加驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行穩(wěn)定性；固定在底板上的支撐架用于支承橫梁。

圖1　驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡圖

驅(qū)動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)主體由旋轉(zhuǎn)軸、主體塊和壓電雙晶片振子等構(gòu)成。其中，非對稱夾持、偏置布置的壓電雙晶片振子結(jié)構(gòu)如圖2所示，由壓電晶片與鈹青銅基板構(gòu)成的壓電雙晶片夾持在不同長度的夾持塊1、2中間。旋轉(zhuǎn)軸軸心線O與鈹青銅基板厚度方向的中心平面之間有一定大小的距離a，定義為偏置距離，該距離可通過壓電雙晶片振子在主體塊側(cè)面U形槽上的夾持位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)a=0時(shí)，無偏距，壓電雙晶片非對稱夾持，壓電雙晶片振子具有非對稱結(jié)構(gòu)；當(dāng)a≠0時(shí)，有偏距，壓電雙晶片非對稱夾持，壓電雙晶片振子具有偏置布置的非對稱結(jié)構(gòu)。當(dāng)壓電雙晶片在對稱電信號(hào)激勵(lì)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其有效夾持位置將在A和B兩處之間變化，造成壓電雙晶片往復(fù)懸臂長度、剛度不同，導(dǎo)致壓電雙晶片振子端部位移不同，形成的往復(fù)慣性沖擊力矩也將發(fā)生變化。慣性沖擊力矩差使驅(qū)動(dòng)器形成定向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖2　非對稱夾持、偏置布置的壓電雙晶片振子結(jié)構(gòu)圖

Fig.2Structure of piezoelectric vibrator with asymmetrical clamping and the bias unit

2.2驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)機(jī)理

驅(qū)動(dòng)器在對稱方波信號(hào)激勵(lì)下的運(yùn)動(dòng)過程如圖3所示，在一個(gè)周期內(nèi)，驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)過程可分為以下步驟。

圖3　壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)機(jī)理

(a)當(dāng)激勵(lì)電壓為0時(shí)，壓電雙晶片保持未變形狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)器靜止。

(b)0～a階段，壓電雙晶片振子逆時(shí)針方向快速變形，端部產(chǎn)生2個(gè)反向的慣性沖擊力，形成慣性沖擊力矩，如果該沖擊力矩大于驅(qū)動(dòng)器的最大靜摩擦力矩，旋轉(zhuǎn)主體將順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)β1角度。電信號(hào)由a至b變化時(shí)，壓電雙晶片保持變形，旋轉(zhuǎn)主體未發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

(c)b～c階段，壓電雙晶片振子順時(shí)針方向快速變形，同樣產(chǎn)生2個(gè)反向的慣性沖擊力，形成慣性沖擊力矩，但由于夾持差和偏置結(jié)構(gòu)的存在，此時(shí)的沖擊驅(qū)動(dòng)力矩將小于上一階段的驅(qū)動(dòng)力矩，如果該沖擊力矩大于驅(qū)動(dòng)器的最大靜摩擦力矩，驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)主體將逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)β2角度。電信號(hào)由c至d變化時(shí)，壓電雙晶片保持變形，驅(qū)動(dòng)器不發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

(d)d～e階段，壓電雙晶片振子回到初始的變形狀態(tài)。最終，β3角度形成，被認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)器在激勵(lì)信號(hào)的一個(gè)周期下產(chǎn)生的角位移。

在周期性的信號(hào)激勵(lì)下，驅(qū)動(dòng)器將重復(fù)上述步驟，實(shí)現(xiàn)順時(shí)針方向定向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3　理論與仿真分析

3.1驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力矩理論仿真

為了解偏置結(jié)構(gòu)對驅(qū)動(dòng)器輸出性能的影響，如輸出力，輸出角速度等，建立了機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型方程，并進(jìn)行了仿真分析和計(jì)算。

圖4所示為驅(qū)動(dòng)器壓電雙晶片振子的力學(xué)分析圖。C點(diǎn)表示壓電雙晶片鈹青銅基板厚度方向中心平面與主體塊側(cè)面邊緣線的交點(diǎn)；a為可調(diào)節(jié)的偏置距離；b為主體塊寬度的一半；lA為夾持塊1的夾持長度；l1為壓電雙晶片振子懸臂長度；F1為當(dāng)壓電振子從下端運(yùn)動(dòng)至最上端時(shí)的慣性沖擊驅(qū)動(dòng)力幅值，其方向垂直于壓電雙晶片端部朝向平衡位置；此外，y1為壓電振子運(yùn)動(dòng)至最上端時(shí)的端部位移值幅值。相應(yīng)地，lB，l2，F(xiàn)2和y2為下端的參數(shù)值。

圖4　偏置結(jié)構(gòu)壓電振子力學(xué)分析圖

壓電雙晶片端部慣性沖擊力幅值為[10]：

(1)

式中：Ep為壓電陶瓷的彈性模量；Ic為壓電雙晶片截面慣性矩；d31為壓電常數(shù)；V為周期性電場電壓值；t=tm+2tp，A=Em/Ep，B=tm/2tp；tm為鈹青銅基板厚度；tp為壓電層厚度；Em為鈹青銅基板的彈性模量；lc為壓電層的長度；m為質(zhì)量塊的總質(zhì)量；ω為激勵(lì)信號(hào)頻率；ki為壓電振子運(yùn)動(dòng)至上下端的等效剛度系數(shù)；c為壓電雙晶片阻尼系數(shù)。

(2)

(3)

同時(shí)，根據(jù)角度關(guān)系可知：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

結(jié)合式(1)～(9)，壓電振子運(yùn)動(dòng)至最上端時(shí)的總驅(qū)動(dòng)力矩可計(jì)算得：

(10)

類似的，驅(qū)動(dòng)器壓電振子運(yùn)動(dòng)至最下端時(shí)總的驅(qū)動(dòng)力矩為：

(11)

為了簡化公式，定義一個(gè)K值：

(12)

假設(shè)驅(qū)動(dòng)器預(yù)緊力調(diào)節(jié)裝置對旋轉(zhuǎn)軸無施加預(yù)緊力，旋轉(zhuǎn)軸與軸承間摩擦力可忽略，計(jì)算得驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力矩差M為：

(13)

根據(jù)式(13)，偏置距離a為重要變量。為了直觀的描述驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力矩差M隨偏距a的變化趨勢，進(jìn)行了基于MATLAB的驅(qū)動(dòng)力矩仿真分析。仿真以偏距a和驅(qū)動(dòng)電壓V為自變量，基本的仿真參數(shù)如表1所示，仿真結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，驅(qū)動(dòng)力矩隨著偏置距離、驅(qū)動(dòng)電壓的遞增均呈非線性的增加。

表1　仿真基本參數(shù)值

圖5　驅(qū)動(dòng)力矩仿真分析

3.2驅(qū)動(dòng)器壓電振子模態(tài)分析

根據(jù)理論推斷，當(dāng)偏置距離逐漸增大時(shí)，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力呈非線性增大，同樣，壓電雙晶片振子端部位移也將呈非線性增大。

為研究偏置結(jié)構(gòu)對驅(qū)動(dòng)器穩(wěn)定性的影響，運(yùn)用有限元軟件對壓電雙晶片振子進(jìn)行模態(tài)仿真分析。圖6所示為壓電雙晶片振子劃分網(wǎng)格后的模型圖，仿真分析中可通過增減固定約束處的長度來調(diào)節(jié)偏置距離。

由于驅(qū)動(dòng)器工作頻率在壓電雙晶片振子一階彎曲模態(tài)頻率內(nèi)，所以此處模態(tài)分析選取一階彎曲模態(tài)，圖 7所示為偏置距離與壓電雙晶片振子一階模態(tài)頻率的關(guān)系。由圖7可知，隨著偏置距離的增加，壓電雙晶片振子一階模態(tài)頻率近似呈線性下降，表明壓電雙晶片振子固有頻率下降。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率固定時(shí)，偏置距離的不斷增大會(huì)引起壓電雙晶片振子運(yùn)行不穩(wěn)定，從而可能會(huì)導(dǎo)致壓電雙晶片振子端部位移減小。對于驅(qū)動(dòng)器，壓電雙晶片振子布置的偏置距離過大會(huì)引起驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的不穩(wěn)定，最終可能導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力下降。

圖6　壓電雙晶片振子有限元模型

圖7壓電雙晶片振子一階模態(tài)頻率與偏置距離關(guān)系曲線

Fig.7Relationship between first modal frequency and offset distance

綜合上述驅(qū)動(dòng)器的理論仿真分析可知，偏置結(jié)構(gòu)能增加驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力，但偏置距離的增大會(huì)引起驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行不穩(wěn)定。

4　試驗(yàn)測試研究

具有偏置結(jié)構(gòu)的非對稱慣性壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器試驗(yàn)測試系統(tǒng)如圖8所示，其旋轉(zhuǎn)主體的主要結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示。偏置距離可通過壓電雙晶片振子在U形槽中夾持位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、試驗(yàn)樣機(jī)、精密激光測位儀、模數(shù)轉(zhuǎn)換控制器和計(jì)算機(jī)。試驗(yàn)在室溫(20 ℃)下進(jìn)行，激勵(lì)方波信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)過功率放大器的放大，作用于驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)。精密激光測位儀用于測量驅(qū)動(dòng)器指針端部位移，并將結(jié)果顯示在計(jì)算機(jī)。試驗(yàn)在恒定夾持差3 mm下進(jìn)行。

表2　旋轉(zhuǎn)主體主要結(jié)構(gòu)尺寸

圖8　壓電驅(qū)動(dòng)器試驗(yàn)測試系統(tǒng)

4.1偏置結(jié)構(gòu)影響測試

為探索偏置結(jié)構(gòu)對驅(qū)動(dòng)器輸出步距角速度的影響，試驗(yàn)在不施加預(yù)緊力矩，固定電信號(hào)頻率為4Hz，在40、60、80V3種電壓條件下進(jìn)行，其結(jié)果如圖9所示。平均輸出步距角速度均在偏置距離15mm左右最大；低于15mm，驅(qū)動(dòng)器步距角速度近似線性增加；高于15mm，驅(qū)動(dòng)器步距角速度快速下降。隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大，偏置距離對輸出角速度的影響變大。合適的偏置距離能夠?qū)Ⅱ?qū)動(dòng)器應(yīng)用到需要較大驅(qū)動(dòng)力、運(yùn)行速度的場合。該結(jié)果與仿真結(jié)果不一致可能是偏置距離的過大導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行不穩(wěn)定，使驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力矩、輸出速度變小造成的。為了更加明顯的表現(xiàn)出偏置結(jié)構(gòu)與無偏置結(jié)構(gòu)在輸出步距角速度、驅(qū)動(dòng)力矩上的差別，試驗(yàn)中偏置距離將恒定在15mm。

圖9　偏置距離影響曲線

4.2驅(qū)動(dòng)器頻率特性測試

驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)電壓為100V，預(yù)緊力矩1.089N·mm，15mm偏置距離和0mm偏置距離條件下，驅(qū)動(dòng)頻率對驅(qū)動(dòng)器輸出性能的影響曲線如圖10所示。隨著激勵(lì)頻率的遞增，兩種偏置距離下，驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)了2個(gè)峰值，分別在7Hz和23Hz處，驅(qū)動(dòng)器的諧振頻率為23Hz，低于壓電雙晶片振子的一階彎曲模態(tài)頻率。驅(qū)動(dòng)器正常工作時(shí)，應(yīng)避開該頻率以獲得穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；為獲得大的驅(qū)動(dòng)力和輸出角速度，應(yīng)工作在諧振頻率附近。即可通過定壓調(diào)頻的驅(qū)動(dòng)控制方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行速度的調(diào)節(jié)。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到，偏置距離為15mm時(shí)，在23Hz處的平均步距角速度高達(dá)5.39rad/s；偏置距離為0mm時(shí)，此處的平均步距角速度達(dá)到3.48rad/s。計(jì)算可得，在此條件下，15mm的偏置距離將驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行最大速度增加54.88%。

圖10　驅(qū)動(dòng)器頻率特性曲線

4.3驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力矩測試

驅(qū)動(dòng)力矩測試是通過驅(qū)動(dòng)器指針端部固定一無彈性的細(xì)線，拖拽一水平面上的重物來獲得的。試驗(yàn)中保持細(xì)線平行于基板上端面，垂直于指針側(cè)面。在電壓為100V，定頻為23Hz，定預(yù)緊力矩為1.089N·mm，偏置距離為15mm和0mm的條件下，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，負(fù)載力矩的增加，角位移急劇下降，但偏置距離為15mm時(shí)角位移始終在無偏置距離之上。15mm偏置距離時(shí)驅(qū)動(dòng)器的最大輸出力矩達(dá)3.62N·mm，0mm偏置距離時(shí)驅(qū)動(dòng)器的最大輸出力矩達(dá)2.41N·mm。經(jīng)過計(jì)算，15mm的偏置距離將驅(qū)動(dòng)器輸出力增加50.2%。

圖11　驅(qū)動(dòng)力特性曲線

4.4驅(qū)動(dòng)器承載性能測試

承載性能是驅(qū)動(dòng)器實(shí)際應(yīng)用中重要的性能指標(biāo)之一。在15mm偏置距離的基礎(chǔ)上，定頻4Hz條件下實(shí)驗(yàn)，研究驅(qū)動(dòng)器在4種電壓下承載性能表現(xiàn)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，平均步距角速度隨著承載量的增加近似線性的穩(wěn)定下降，驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行穩(wěn)定，這可能是旋轉(zhuǎn)軸與軸承間近似線性的摩擦造成的。隨著驅(qū)動(dòng)電壓的遞增，最大承載量增加，當(dāng)電壓達(dá)到100V時(shí)，最大承載量為1 300g。

圖12　承載量測試曲線

表3對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，由擬合曲線得出決定系數(shù)r2值。隨著驅(qū)動(dòng)電壓的遞增，該值越接近1，表明線性度越好，驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行穩(wěn)定性增加。

表3　驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行線性度

4.5驅(qū)動(dòng)器性能對比

表4所示為一些旋轉(zhuǎn)型壓電驅(qū)動(dòng)器的性能對比。與列出的驅(qū)動(dòng)器相比，本文研制的驅(qū)動(dòng)器在旋轉(zhuǎn)速度、承載量方面占據(jù)優(yōu)勢，主要是偏置結(jié)構(gòu)存在的原因；就驅(qū)動(dòng)力方面，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力矩較小，主要是由于驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行方式、結(jié)構(gòu)形式不同造成的?？偟膩碚f，該驅(qū)動(dòng)器通過結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了輸出性能的改善，具有大的輸出步距角速度，能實(shí)現(xiàn)快速定位；擁有大的驅(qū)動(dòng)力；能夠穩(wěn)定的承受大載荷；性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)簡單。

表4　壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器性能對比

5　結(jié)　論

本文在非對稱夾持的基礎(chǔ)上，提出一種偏置結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制作了一種擁有大的運(yùn)動(dòng)速度、輸出力矩、高的承載力的慣性壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器。對該驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了理論與仿真分析，并作了驅(qū)動(dòng)器的試驗(yàn)測試，得到以下結(jié)論：偏置結(jié)構(gòu)能夠增大輸出步距角速度、驅(qū)動(dòng)力矩。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，驅(qū)動(dòng)器輸出步距角速度在15 mm偏置距離時(shí)達(dá)到峰值。試驗(yàn)結(jié)果與理論分析產(chǎn)生的差別主要是偏置距離的過大引起驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行不穩(wěn)定，使輸出角速度、驅(qū)動(dòng)力變小造成的。試驗(yàn)結(jié)果表明，與無偏置距離相比，15 mm偏置距離時(shí)驅(qū)動(dòng)器輸出最大角速度從3.48 rad/s增加至5.39 rad/s，最大輸出力從2.41 N·mm增加至3.62 N·mm；在100 V，4 Hz 驅(qū)動(dòng)電壓下，驅(qū)動(dòng)器穩(wěn)定輸出時(shí)的承載力達(dá)到12.74 N。本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)崿F(xiàn)大的輸出步距角速度、輸出力，并能穩(wěn)定承受大的負(fù)載。

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溫建明(1980-)，男，河北承德人，博士，副教授，2003年、2006年、2009年于吉林大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士、博士學(xué)位，主要從事壓電驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)。E-mail：wjming@zjnu.cn

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Asymmetrical inertial piezoelectric rotary actuator with bias unit

CHENG Guang-ming， CHEN Kang， WEN Jian-ming*， XING Chun-mei， ZENG Ping， BAO Hui-lu

(InstituteofPrecisionMachinery，ZhejiangNormalUniversity，Jinhua321004，China)*Correspondingauthor，E-mail：wjming@zjnu.cn

A novel asymmetrical inertial piezoelectric rotary actuator with a bias unit was proposed for improving the output performance of inertial piezoelectric actuators. On the asymmetrical clamp， the bias unit was designed. To research the effect of the bias unit on the output performance of piezoelectric rotary actuator， a mechanical model equation of the mechanism was initially established， and the dynamic characteristics of the actuator were also derived and simulated. Then， a prototype was designed and fabricated， corresponding experimental system was built to conduct experiments and experimental results were compared with that of the actuator without the bias unit. The results show that the output angular velocity peak of the actuator is at the offset distance of 15 mm. Compared with the actuator without the bias unit under the driving voltage of 100 V， 23 Hz， the actuator with the offset distance of 15 mm improves the maximum angular velocity from 3.48 rad/s to 5.39 rad/s， enhancing by 54.88% and the highest driving moment from 2.41 N·mm to 3.62 N·mm， enhancing by 50.2%. In addition， its heavy bearing capacity at stable motion attains 1 300 g under the driving voltage of 100 V， 4 Hz. Both theoretical and experimental results indicate that the designed actuator hold advantages in larger angular velocities and inertial driving moments in comparison to the one without the bias unit.

piezoelectric rotory actuator; inertial actuator; asymmetrical clamping; bias unit; output characteristics

2016-02-13；

2016-03-10.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51175478,No.51205369)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.LY15E050010)；浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.2015R404028)

1004-924X(2016)09-2208-09

TN384

A

10.3788/OPE.20162409.2208

程光明(1957-)，男，吉林長春人，博士，教授，1982年、1985年、1996年于吉林工業(yè)大學(xué)分別獲學(xué)士、碩士、博士學(xué)位，主要從事壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)、微機(jī)電液系統(tǒng)和摩擦學(xué)的研究。E-mail：cgm123@163.com