用于光闌的旋轉(zhuǎn)型駐波壓電作動器

劉 堅， 金家楣， 陳 迪， 王 亮

(南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室 南京，210016)

引 言

光闌的作用是調(diào)節(jié)進(jìn)入鏡頭的光通量，使像平面獲得適當(dāng)?shù)恼斩?，從而獲得更好的成像效果。在攝像機(jī)、顯微鏡照明系統(tǒng)和激光整形及控制系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用[1-3]。光闌一般由光闌座、光闌片和活動環(huán)組成，通過調(diào)節(jié)活動環(huán)和控制光闌片的開合，使光闌孔徑發(fā)生變化，達(dá)到調(diào)節(jié)光通量的目的。由于傳統(tǒng)調(diào)光機(jī)構(gòu)采用電磁電機(jī)驅(qū)動，通過齒輪減速機(jī)構(gòu)實現(xiàn)光闌調(diào)節(jié)的功能[4]需要復(fù)雜的調(diào)速機(jī)構(gòu)，傳動鏈過長不利于高精度控制。精簡中間的調(diào)速環(huán)節(jié)是目前的主要任務(wù)。

壓電作動器是利用逆壓電效應(yīng)激發(fā)彈性體的振動，進(jìn)而通過摩擦傳動實現(xiàn)宏觀運動的新型電機(jī)。與傳統(tǒng)電磁電機(jī)相比，壓電作動器具有結(jié)構(gòu)緊湊、瞬態(tài)響應(yīng)快和運動精度高等特點[5]，其直接驅(qū)動的方式可最大程度地減少傳動環(huán)節(jié)。近幾年，國內(nèi)外對壓電作動器用于驅(qū)動光闌等光學(xué)設(shè)備進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一種使用微型壓電作動器調(diào)節(jié)光路開關(guān)的調(diào)光裝置。文獻(xiàn)[7-8]研制了用于2D光學(xué)掃描系統(tǒng)的壓電作動器驅(qū)動反光鏡的調(diào)光系統(tǒng)和綜合利用MEMS技術(shù)和壓電驅(qū)動技術(shù)，開發(fā)了利用S型壓電作動器調(diào)節(jié)像面照度的裝置。李曉牛等[9]對旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)進(jìn)行改裝使之成為中空結(jié)構(gòu)，滿足驅(qū)動光闌的要求。但是，以上設(shè)計沒有考慮光闌調(diào)光機(jī)構(gòu)長時間工作的要求，使用MEMS技術(shù)設(shè)計的壓電作動器對精度要求十分高，長時間使用必然會出現(xiàn)磨損，這樣壓電作動器的兩相工作模態(tài)的頻率差凸顯，耦合效果變差，影響光學(xué)器件的正常工作。

傳統(tǒng)壓電作動器為了實現(xiàn)驅(qū)動轉(zhuǎn)子或者動子運動，一般使用兩相模態(tài)疊加的方法[10]。長時間工作磨損對兩相工作模態(tài)產(chǎn)生不同影響，使頻率差增大，使用同形振子和單一模態(tài)易于緩解這個問題。筆者設(shè)計的壓電作動器利用兩個同形壓電振子的相同模態(tài)驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，并設(shè)計有磨損的補償環(huán)節(jié)，能夠補償因長時間工作導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)預(yù)壓力變化的問題，適應(yīng)了光闌長時間工作的要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

1.1 壓電作動器結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為筆者設(shè)計的旋轉(zhuǎn)型駐波壓電作動器的結(jié)構(gòu)示意圖。該作動器由壓電振子、轉(zhuǎn)子、彈簧、銷釘、固定板、螺栓和螺母組成。壓電振子由兩片壓電陶瓷片和的金屬彈性體組成，考慮到壓電振子的驅(qū)動與固定，壓電振子激發(fā)出三階縱向振動模態(tài)，分別在壓電振子的第1、第3節(jié)線處粘貼壓電陶瓷片，并且在三階縱向振動模態(tài)的第1和第3節(jié)線處設(shè)置Φ1 mm的通孔用于固定。轉(zhuǎn)子設(shè)置在上、下兩個壓電振子中間，轉(zhuǎn)子與上壓電振子的三階縱向振動模態(tài)的波峰波谷處和下壓電振子三階縱振模態(tài)的節(jié)線處接觸。為了補償壓電作動器長時間工作的摩擦磨損，在每個壓電振子和固定板之間設(shè)置了兩個彈簧，使用銷釘連接固定板和壓電振子。其中，銷釘與壓電振子之間使用間隙配合，銷釘與固定板之間使用過盈配合。用螺釘和螺母對整個壓電作動器進(jìn)行固定和施加預(yù)壓力。

圖1 壓電作動器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of piezoelectric actuator

1.2 壓電作動器工作原理

圖2為壓電作動器的原理圖。對上、下壓電振子施加具有π/2時間相位差的A相和B相信號，可以在上、下壓電振子上激發(fā)出時間相位差為π/2的三階縱振模態(tài)。由于金屬彈性體的泊松效應(yīng)，上、下壓電振子對轉(zhuǎn)子的y軸方向壓力產(chǎn)生周期性變化。定子對轉(zhuǎn)子摩擦作用力也產(chǎn)生了周期性變化，上、下振子對轉(zhuǎn)子的y軸方向壓力和驅(qū)動轉(zhuǎn)子的切向摩擦力周期變化如圖3所示。轉(zhuǎn)子順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)的力并不相等，一個周期內(nèi)使轉(zhuǎn)子某個方向轉(zhuǎn)動驅(qū)動力所做的功大于使轉(zhuǎn)子向另一個轉(zhuǎn)動驅(qū)動力所做的功。在高頻驅(qū)動電壓的激勵下，轉(zhuǎn)子會持續(xù)進(jìn)行單個方向運動。調(diào)換兩相驅(qū)動電壓的相位，轉(zhuǎn)子能實現(xiàn)反方向旋轉(zhuǎn)運動。

圖2 壓電作動器原理圖Fig.2 Principle diagram of piezoelectric actuator

圖3 壓電振子對轉(zhuǎn)子的y軸方向力和切向力周期變化圖Fig.3 The cycle variation of y axial force and tangential force

圖4 壓電作動器驅(qū)動光闌實驗系統(tǒng)Fig.4 The structure of piezoelectric actuator

圖5 三階縱向振動的模態(tài)圖Fig.5 The 3rd longitudinal vibration mode of stators

圖6 厚度與三階縱振頻率的關(guān)系Fig.6 Relation between thickness and the frequency of 3rd longitude vibration mode

圖4所示為旋轉(zhuǎn)型駐波壓電作動器的結(jié)構(gòu)圖，整體尺寸為120 mm×100 mm×60 mm。設(shè)計的壓電作動器的光闌尺寸外徑為Φ32.5 mm，內(nèi)徑為Φ18.7 mm，厚度為6 mm。設(shè)計用于帶動光闌內(nèi)圈的驅(qū)動環(huán)外徑為Φ40 mm，內(nèi)徑為Φ33 mm，厚度為5.8 mm?？紤]到驅(qū)動的需要，定子的長度設(shè)計為60 mm，寬度為5 mm，通過優(yōu)化厚度尺寸達(dá)到調(diào)節(jié)頻率的目的。筆者使用有限元軟件ANSYS15.0進(jìn)行模態(tài)分析，三階縱振的模態(tài)如圖5所示。筆者選擇的壓電振子的厚度為3.5 mm，得到的定子厚度和三階縱向振動頻率之間的關(guān)系如圖6所示。壓電材料選擇為PZT-8系列(無錫海鷹公司提供)，金屬彈性體選用磷青銅。模態(tài)分析時選用磷青銅材料，其彈性模量E為113GPa，泊松比μ為0.33，密度ρ為8 800 kg/m3。壓電陶瓷片的材料參數(shù)如表1所示。

表1 壓電陶瓷片的材料參數(shù)Tab.1 Material properties of PZT

2 實驗研究

2.1 模態(tài)實驗

圖7 激光多普勒測振儀實測的定子工作模態(tài)及振型Fig.7 Operating model's frequency and vibration type

采用德國Polytec公司生產(chǎn)的PSV300F-B型高頻激光掃描測振系統(tǒng)對上、下壓電振子進(jìn)行模態(tài)實驗，結(jié)果如圖7和表2所示。圖7中，vA為速度振幅。理論計算值與實驗結(jié)果對比如表3所示。從實驗結(jié)果可知：a. 實際測得的三階縱向振動的頻率在設(shè)計的工作頻率附近，其振型與設(shè)計所選擇的工作模態(tài)的振型一致，并且在100Vp-p電壓定頻激勵下分別測得上、下壓電振子三階縱振模態(tài)y軸的振幅為300 nm和250 nm；b. 圖7(a)和圖7(c)所示的幅頻曲線只有一個峰值，沒有出現(xiàn)其他近頻的峰值。由于壓電作動器工作在三階縱向振動模態(tài)，三階縱向振動模態(tài)周圍沒有近頻的諧振峰，說明其他的振動模態(tài)對壓電作動器工作沒有干擾[11]。

表2 壓電振子模態(tài)實驗結(jié)果Tab.2 The modal testing results of piezoelectric oscillator

表3壓電振子ANSYS計算結(jié)果與模態(tài)實驗結(jié)果對比

Tab.3Comparisonbetweenpiezoelectricoscillator′stheoreticalresultsandmodeltestingresults

自由邊界條件上振子的共振頻率/kHz下振子的共振頻率/kHzANSYS計算結(jié)果88．80288．802模態(tài)實驗結(jié)果86．42187．094頻率差2．38117．09誤差率/%2．751．96

2.2 頻率-速度特征曲線

通過調(diào)節(jié)螺母，伸長或者壓縮彈簧對壓電作動器的預(yù)壓力為8 N，固定驅(qū)動電壓為300 Vp-p，調(diào)節(jié)驅(qū)動電源的頻率(86.092kHz～86.795kHz)。A，B兩相驅(qū)動電壓相位差為90°時，壓電作動器實現(xiàn)順時針旋轉(zhuǎn)。兩相相位差為-90°時，壓電作動器實現(xiàn)逆時針旋轉(zhuǎn)。使用非接觸式的激光傳感器(日本基恩士公司的LH-H020)測得轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，得到頻率-速度的關(guān)系曲線如圖8所示。可以看出：頻率在86.095 kHz～86.795 kHz之間能夠?qū)崿F(xiàn)順時針旋轉(zhuǎn)；頻率在86.435 kHz～86.975 kHz之間能夠?qū)崿F(xiàn)逆時針旋轉(zhuǎn)。其中，當(dāng)頻率為86.695 kHz時，順時針轉(zhuǎn)速最大，達(dá)到68.51rad/min；當(dāng)頻率為86.555 kHz時，逆時針轉(zhuǎn)速最大，為51.61rad/min。由此可以看出，壓電作動器在壓電振子的共振頻率周圍轉(zhuǎn)速達(dá)到最大，遠(yuǎn)離共振頻率，旋速下降。對比上、下振子的共振頻率(上振子為86.421 kHz，下振子為87.094 kHz)可以看出，順時針的最佳驅(qū)動頻率更接近于下振子的共振頻率，可以認(rèn)為順時針運動狀態(tài)更多的由下振子決定。同理可知，逆時針運動狀態(tài)更多的由下振子決定。

圖8 頻率-速度特性曲線Fig.8 Characteristic curve of frequency-rotation speed

圖9 預(yù)壓力-速度特征曲線Fig.9 Characteristic curve of pre-load-rotation speed

2.3 預(yù)壓力-速度特性曲線

調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓為300Vp-p，分別調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓頻率為86.695 kHz和86.55 kHz(頻率-速度實驗時獲得的最佳順時針和逆時針驅(qū)動頻率)。調(diào)節(jié)螺母改變對壓電振子的預(yù)壓力，測得壓電作動器的轉(zhuǎn)度，得到預(yù)壓力與轉(zhuǎn)速特征曲線，如圖9所示?？梢钥闯?，預(yù)壓力對壓電作動器的運行有很大的影響[12]。在預(yù)壓力低于2N或者高于10N時，壓電作動器停止轉(zhuǎn)動。在預(yù)壓力為7.2N時，順時針旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到最大，為56.24 rad/min；當(dāng)預(yù)壓力為8.6 N時，逆時針旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到最大，為45.95rad/min?？梢?，壓電作動器可以在7.2～8.5N的預(yù)壓力下獲得較好的運行狀態(tài)。

2.4 電壓-速度特征曲線

如圖10所示,調(diào)節(jié)預(yù)壓力為8 N，在驅(qū)動電壓頻率為86.695 kHz和86.555 kHz時，改變驅(qū)動電壓值(200 Vp-p～400 Vp-p)，分別測得壓電作動器順時針和逆時針轉(zhuǎn)速?？梢钥闯觯寒?dāng)電壓小于200 Vp-p時，順時針和逆時針轉(zhuǎn)速很小；隨著驅(qū)動電壓升高，順時針和逆時針的轉(zhuǎn)速基本呈線性增加，其中順時針電壓-速度曲線的斜率比逆時針的大；在電壓為400 Vp-p時，順、逆時針轉(zhuǎn)速達(dá)到最大，順時針為75.36 rad/min，逆時針為62.80 rad/min。實驗表明，作動器的電壓與速度基本呈線性關(guān)系，作動器運行平穩(wěn)，取得了良好效果。

圖10 電壓-速度特性曲線Fig.10 Characteristic curve of voltage-rotation speed

2.5 位移分辨率曲線

圖11為旋轉(zhuǎn)型壓電作動器的分辨率結(jié)果?？梢钥闯?，當(dāng)電壓為400 Vp-p時，旋轉(zhuǎn)型壓電作動器的分辨率可以達(dá)到0.34 mrad，這使得旋轉(zhuǎn)型壓電作動器滿足光學(xué)儀器的高精度要求。

圖11 位移分辨率實驗結(jié)果Fig.11 Resolution of piezoelectric actuator

3 結(jié)束語

基于光闌和壓電作動器的特點，設(shè)計和制造了一種新型的旋轉(zhuǎn)型駐波壓電作動器。該壓電作動器使用兩個同形的壓電振子激發(fā)出相同的振動模態(tài)并驅(qū)動光闌轉(zhuǎn)動，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快速、運行平穩(wěn)和精度高的特點，易于緩解由于磨損造成的工作頻率差增大的問題。實驗發(fā)現(xiàn)：壓電作動器的速度-電壓特性具有良好的線性關(guān)系；當(dāng)驅(qū)動電壓為400 Vp-p時，順時針和逆時針轉(zhuǎn)速分別為75.36 rad/min和62.80 rad/min，旋轉(zhuǎn)型壓電作動器的精度可以達(dá)到0.34mrad，滿足光闌對速度和精度的要求。這表明該新型旋轉(zhuǎn)型駐波壓電作動器可以用于光闌的驅(qū)動與控制。

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