兩級復(fù)合放大箝位步進壓電直線電機*

韓 路 ，黃衛(wèi)清,3,王 寅

(1.南京航空航天大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室 南京，210016)(2.華僑大學(xué)機電及自動化學(xué)院 廈門，361021)(3.廣州大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院 廣州,510006)

兩級復(fù)合放大箝位步進壓電直線電機*

韓 路1，黃衛(wèi)清1,3,王 寅2

(1.南京航空航天大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室 南京，210016)(2.華僑大學(xué)機電及自動化學(xué)院 廈門，361021)(3.廣州大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院 廣州,510006)

針對尺蠖式電機運行過程中導(dǎo)軌與動子對加工與裝配要求過高的問題，提出了一種尺蠖式原理的兩級復(fù)合放大箝位步進壓電直線電機，分析了電機的工作原理，設(shè)計了電機箝位機構(gòu)和總體結(jié)構(gòu)。利用有限元軟件對箝位機構(gòu)進行仿真分析，得到柔性結(jié)構(gòu)的最佳尺寸。制作樣機并設(shè)計實驗，得到了電機的速度特性曲線并進行分析。樣機的實驗結(jié)果證明了該方案的可行性，并且在電壓峰峰值為100 V、頻率為150 Hz的方波信號激勵下，電機的空載速度可達1.23 mm/s，最大推力可達1.6 N。該電機有效降低了驅(qū)動器的加工與裝配要求，增強了電機運行的穩(wěn)定性。

直線電機； 箝位機構(gòu)； 疊層壓電疊堆； 驅(qū)動足

引 言

近年來,壓電材料受到各界的關(guān)注，利用壓電材料作為驅(qū)動的壓電驅(qū)動器在精密驅(qū)動和定位領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。壓電直線電機以其結(jié)構(gòu)簡單、精度高和能夠自鎖等優(yōu)點引起了學(xué)者們的重視[3-7]。

國內(nèi)外對壓電直線電機的研究取得了一定的進展，研發(fā)了各種類型的電機。其中，尺蠖式壓電直線電機以大行程、高分辨率和較大驅(qū)動力等特點，受到廣泛關(guān)注。該類型電機通常具有兩個箝位裝置和一個驅(qū)動裝置，通過模仿自然界中蠕蟲的爬行方式，即“箝位-驅(qū)動-箝位”的運動方式，對壓電疊堆微小步距進行累加，從而實現(xiàn)雙向步進運動，在微納米級驅(qū)動定位中具有廣闊的應(yīng)用背景[8-9]。目前，國內(nèi)出現(xiàn)的尺蠖式電機結(jié)構(gòu)多種多樣，但多數(shù)電機由于壓電疊堆的變形量小于現(xiàn)有加工水平下的加工誤差，所以很難保持動子與導(dǎo)軌之間的間隙，比較難以實現(xiàn)穩(wěn)定的尺蠖式運動,其運行的穩(wěn)定性受到加工誤差和裝配誤差的影響比較大[10]。潘雷等[11]提出一種多足箝位式壓電直線電機，通過在原有兩個箝位單元的附近各增加一個輔助箝位單元，一定程度上降低了加工與裝配精度的要求。但因為增加箝位單元導(dǎo)致了整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對各個箝位信號的控制以及操作要求較高。

筆者在文獻[12-13]的研究基礎(chǔ)上，提出了一種新型結(jié)構(gòu)的兩級復(fù)合放大箝位步進壓電直線電機，利用杠桿放大原理和三角放大原理對壓電疊堆的變形量進行放大，并將兩個箝位的驅(qū)動足盡可能的靠近，有效降低了驅(qū)動器對加工與裝配精度的要求，具有運行穩(wěn)定、精度高和行程大等優(yōu)點。

1 電機工作原理

筆者提出的壓電直線電機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由箝位機構(gòu)(1,2)、驅(qū)動機構(gòu)(1,2,3)、柔性足(1,2)和導(dǎo)軌等組成。其中,驅(qū)動機構(gòu)含有疊層壓電陶瓷作為驅(qū)動件。

圖1 電機整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the motor

以直線動子在導(dǎo)軌內(nèi)向右運動為例，介紹該電機的運動原理。圖2為電機的運行過程圖。圖中簡化了電機結(jié)構(gòu)，每個柔性鉸鏈簡化一個支點，陰影部分表示通電狀態(tài)。初始時動子處于被導(dǎo)軌預(yù)壓狀態(tài)。驅(qū)動機構(gòu)1通電伸長推動箝位機構(gòu)1實現(xiàn)箝位，如圖2(a)所示。驅(qū)動機構(gòu)2通電伸長，推動箝位機構(gòu)2向右步進一個微位移dx，如圖2(b)所示。驅(qū)動機構(gòu)1斷電縮短，箝位機構(gòu)1釋放箝位，驅(qū)動機構(gòu)3通電伸長推動箝位機構(gòu)2實現(xiàn)箝位，如圖2(c)所示。驅(qū)動機構(gòu)2斷電縮短，拉動箝位機構(gòu)1向右步進一個微位移dx，從而完成一個運動周期。從電機的運行過程看，始終會有一個箝位機構(gòu)與導(dǎo)軌接觸，電機斷電后因為初始時導(dǎo)軌與箝位機構(gòu)之間有預(yù)壓，所以電機具有自鎖功能。此外，電機的輸出力直接受到箝位機構(gòu)與導(dǎo)軌直接的預(yù)壓力和摩擦因素的影響，所以可以通過調(diào)節(jié)預(yù)壓力來調(diào)節(jié)輸出力。

圖2 運行過程Fig.2 Process of the operation

由電機的運動原理可以看出，動子兩足表面與導(dǎo)軌要實現(xiàn)過盈配合，在運行過程中過盈量在不斷變化，而要實現(xiàn)穩(wěn)定運動，就要求在較大范圍內(nèi)導(dǎo)軌的間距一致并具有較高的平行度。因此，對實際加工精度的要求比較高。

2 電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 電機輸出力與電機參數(shù)之間的關(guān)系

電機輸出力是衡量電機性能的重要因素之一。電機輸出力F與箝位機構(gòu)的驅(qū)動足和導(dǎo)軌之間的箝位力成正比[11]，與驅(qū)動機構(gòu)推動箝位機構(gòu)所克服的摩擦力成反比。取驅(qū)動機構(gòu)2向右伸長，箝位機構(gòu)2向右運動為例，設(shè)導(dǎo)軌表面摩擦因素為μ，箝位機構(gòu)與導(dǎo)軌的摩擦力為f，箝位力為P，則F近似為

F=μP-f

(1)

由于驅(qū)動足并不是剛體，同時導(dǎo)軌也具有一定的彈性，從而得到箝位力P[12]為

(2)

其中：k1，k2分別為驅(qū)動足和導(dǎo)軌的剛度；L為驅(qū)動足在壓電陶瓷作用下最大變形量。

將式(2)帶入式(1)，得

(3)

由式(3)可以看出，增大摩擦因數(shù)和變形量L都有利于增大電機輸出力。增大L需要增大箝位機構(gòu)放大壓電陶瓷變形的放大倍數(shù)，這對柔性鉸鏈的剛度有影響。同時，增大放大臂的抗彎系數(shù)，對壓電陶瓷的剛度要求也會變高。因此，需要合理設(shè)計箝位機構(gòu)的尺寸。

2.2 箝位機構(gòu)的設(shè)計

2.2.1 箝位機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計和放大原理分析

圖3為箝位機構(gòu)與驅(qū)動機構(gòu)裝配圖。內(nèi)部的驅(qū)動機構(gòu)主要由壓電陶瓷片提供驅(qū)動力，一端由螺柱固定，另一端放置一個陶瓷小球，通過螺釘頂住，壓電陶瓷片的預(yù)緊通過螺釘來調(diào)節(jié)。箝位機構(gòu)主要由內(nèi)部的矩形結(jié)構(gòu)和外部的U型結(jié)構(gòu)組成。U型結(jié)構(gòu)的兩個角設(shè)計了柔性鉸鏈，矩形結(jié)構(gòu)的4個角和長邊也設(shè)計了柔性鉸鏈，U型結(jié)構(gòu)和矩形結(jié)構(gòu)通過兩個柔性鉸鏈連接。驅(qū)動機構(gòu)安裝在矩形結(jié)構(gòu)內(nèi)，當(dāng)壓電陶片通電伸長，圖中A，B面受力擴張，C，D面向外擴張，進而推動U型結(jié)構(gòu)長臂擴張，實現(xiàn)箝位。這種間接的驅(qū)動方式可以有效避免壓電疊堆垂直于導(dǎo)軌放置時受到的彎矩。

圖3 箝位機構(gòu)的裝配Fig.3 Assembly of the clamping mechanism

箝位機構(gòu)利用杠桿原理和三角放大原理，對壓電疊堆的位移進行了放大。首先，介紹利用杠桿原理進行放大。圖4為箝位機構(gòu)外部U型結(jié)構(gòu)的簡圖，每個柔性鉸鏈簡化為一個支點。U型結(jié)構(gòu)在E點受到矩形結(jié)構(gòu)的推力，進而兩臂擴張，E點位移為Δx1，F(xiàn)點位移為Δx2，利用三角形相似原理，得到位移放大倍數(shù)N1為

(4)

圖4 U型結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Diagram of the U-shaped structure

圖5為內(nèi)部矩形結(jié)構(gòu)簡圖。選取一條邊做分析，長度為L，當(dāng)結(jié)構(gòu)水平方向受力移動一個位移Δx3時，在垂直方向則移動一個微位移Δx4。初始時，所分析的邊與水平方向的夾角為α，移動后角度變?yōu)棣?θ，θ為變形量。根據(jù)幾何關(guān)系得到

Δx3=Lcos(α-θ)-Lcosα

(5)

Δx4=Lsinα-Lsin(α-θ)

(6)

由式(5),(6)得到放大倍數(shù)N2為

(7)

圖5 矩形結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Diagram of the rectangular structure

由于壓電疊堆的位移量只有十幾微米，角α的變形量θ也十分微小，根據(jù)等價無窮小原理sinθ～θ，1-cosθ～θ2/2，帶入式(7)可得

(8)

得到總的放大倍數(shù)N為

(9)

可見,放大倍數(shù)與L1，L2和α的大小有關(guān)，可以改變這3個量來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。

2.2.2 箝位機構(gòu)有限元分析

在設(shè)計箝位機構(gòu)時，既要保證對壓電疊堆的變形有足夠的放大倍數(shù)，同時也要保證柔性鉸鏈的剛度。采用ANSYS對箝位機構(gòu)尺寸進行仿真，材料為stainless steel，采用solid45劃分網(wǎng)格，圖3中A,B兩面的中心施加力為150N。圖6為箝位機構(gòu)的一個有限元仿真結(jié)果?？梢钥闯?，箝位機構(gòu)對疊堆變形的放大倍數(shù)約為9倍，通過式(9)計算得出放大倍數(shù)為11，兩者結(jié)果相差不大，放大倍數(shù)基本滿足電機運行要求，同時柔性鉸鏈部分的變形不是很大，剛度也滿足要求。

圖6 箝位機構(gòu)有限元分析Fig.6 Finite element method analysis of the clamping mechanism

3 電機實驗

筆者試制了原理樣機并設(shè)計了實驗，對電機輸出性能進行測試。圖7為樣機實物圖。

圖7 樣機實物圖Fig.7 Picture of the prototype

3.1 驅(qū)動足振幅測試

4個驅(qū)動足振幅是否一致直接影響電機能否穩(wěn)定運動。為了測出驅(qū)動足的振幅，采用基恩士激光位移傳感器測試驅(qū)動足的振動位移，用信號發(fā)生器產(chǎn)生方波信號(偏置信號)，經(jīng)功率放大器放大至100 V，頻率為10 Hz，箝位機構(gòu)一端由虎鉗固定，驅(qū)動足一端懸空，用激光打在需要測的驅(qū)動足上，如圖8所示，采樣周期為200 μm。測得的數(shù)據(jù)如表1所示。

箝位機構(gòu)均采用相同的結(jié)構(gòu)，壓電陶瓷片為同種類型，通過表1數(shù)據(jù)可以看到，不同的箝位機構(gòu)驅(qū)動足振幅不同，且同一個箝位機構(gòu)的兩個驅(qū)動足振幅也有差別，其原因為：a.各個箝位單元壓電陶瓷片的預(yù)緊不完全相同；b.加工時的誤差使箝位機構(gòu)產(chǎn)生微小變形；c.測試點不同，激光打的位置會有出入，不同的位置對應(yīng)的放大倍數(shù)不同；d.測試有隨機誤差和系統(tǒng)誤差。可以看到,驅(qū)動機構(gòu)的振幅通過箝位機構(gòu)放大后，其放大倍數(shù)約為8倍，小于計算的理論值,原因可能為加工時結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了變形。

圖8 箝位機構(gòu)驅(qū)動足振幅實驗裝置Fig.8 Displacement response test of the clamping mechanism

表1 驅(qū)動足振幅Tab.1 Amplitude of the driving foot μm

3.2 電機輸出特性實驗

3.2.1 電機速度與頻率之間的關(guān)系

實驗裝置如圖9所示，通過信號發(fā)生器對壓電陶瓷疊堆施加峰峰值為100V的方波信號，在電機空載的情況下，調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的頻率來測試電機速度和驅(qū)動信號頻率的關(guān)系，如圖10所示?？梢钥闯?，隨著電機工作頻率的增大，電機運行速度也增大，這是由于激勵頻率對壓電疊層的振幅影響很小，電機的速度主要取決于激勵頻率，且速度增加的幅度越來越大，在頻率為160 Hz時速度達到最大，之后電機接近停止，其原因為電機結(jié)構(gòu)響應(yīng)頻率不高，由于遲滯效應(yīng)的影響，電機無法正常運行。

圖9 實驗裝置Fig.9 Experiment device

圖10 速度-頻率關(guān)系Fig.10 Relationship between speed and frequency

圖11 速度-電壓關(guān)系Fig.11 Relationship between speed and voltage

3.2.2 電機速度與電壓之間的關(guān)系

激勵頻率為150 Hz時，改變電壓得到電機空載速度的特性曲線，如圖11所示?？梢钥闯?，電機空載速度隨著電壓的增加而增加，這是由于陶瓷的輸出振幅隨電壓的增加而增加，頻率不變時，每個周期內(nèi)定子推動動子前進的位移與陶瓷的振幅有關(guān)，且振幅越大，動子在一個周期內(nèi)的位移越大。當(dāng)電壓到60 V時，電機速度趨于穩(wěn)定，不再增加，這是由于壓電疊層的振幅無法隨電壓增加而繼續(xù)增大。

3.2.3 電機機械特性

對壓電陶瓷施加峰峰值為100 V、頻率為150 Hz的偏置方波信號，通過在箝位機構(gòu)一側(cè)懸掛砝碼，測試電機的拉力，實驗裝置如圖12所示。圖13為電機的機械特性曲線。電機速度隨著負(fù)載的增大而減小，最大負(fù)載為1.6 N。

圖12 輸出力實驗裝置Fig.12 Experiment device of the output force

圖13 機械特性曲線Fig.13 Mechanical characteristic curve

4 結(jié)束語

利用疊層壓電陶瓷設(shè)計并制作了一種新型結(jié)構(gòu)的兩級復(fù)合放大箝位步進壓電直線電機，分析了電機的工作原理，給出了該電機輸出力和主要影響因素之間的關(guān)系，對其速度特性和機械特性設(shè)計實驗并做分析。該電機具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、能夠自鎖和頻率可調(diào)等優(yōu)點，無載荷下最大速度可達1.23 mm/s，最大推力可達1.6 N,有效降低了驅(qū)動器的加工與裝配要求，增強了電機運行的穩(wěn)定性,基本滿足精密直線進給系統(tǒng)的要求，包括速度、分辨率和驅(qū)動力等。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.04.010

* 國家自然科學(xué)基金資助項目(51375224)；華僑大學(xué)高層次人才科研啟動費資助項目(15BS102)

2015-08-28；

2015-11-12

TM356;TH113.1

韓路,男，1989年4月生，碩士生。主要研究方向為壓電直線電機的研究與應(yīng)用。

E-mail：15151820995@163.com