基于粘滑驅(qū)動(dòng)的精密旋轉(zhuǎn)壓電執(zhí)行器研究

李元寶，紀(jì)興華

(萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院，萊蕪 271100)

0 引 言

隨著科學(xué)和技術(shù)的迅速發(fā)展，具有大運(yùn)動(dòng)行程和高位移分辨率的跨尺度精密執(zhí)行器是生物工程、空間技術(shù)、航天科技、集成電路、現(xiàn)代醫(yī)療和MEMS等領(lǐng)域必不可缺的關(guān)鍵技術(shù)。然而傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)如伺服電機(jī)、齒輪傳動(dòng)等已很難達(dá)到要求[1-3]。為此，研究者紛紛致力于開(kāi)發(fā)新型的驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

壓電陶瓷是一種新型的功能性陶瓷材料。正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)是壓電陶瓷的2種基本特性，利用正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；利用逆壓電效?yīng)，壓電陶瓷可以將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)常被應(yīng)用于各種類型的壓電傳感器，正壓電效應(yīng)常被應(yīng)用于各種類型的壓電執(zhí)行器[4-5]。由于具有體積小、質(zhì)量輕、精度高、響應(yīng)快、能耗低、控制特性好、能量密度大、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)，壓電陶瓷在精密執(zhí)行器領(lǐng)域獲得了強(qiáng)烈的青睞[6-7]。然而，壓電陶瓷有一個(gè)先天性的不足：輸出位移小。為了解決這一問(wèn)題，研究者提出多種類型的方法，其中步進(jìn)式驅(qū)動(dòng)原理是最為有效的解決方式。

將壓電陶瓷的微小位移逐步積累，最終獲得理想的輸出行程，這是步進(jìn)式驅(qū)動(dòng)原理的基本思想。由于擺脫了壓電陶瓷本身的微小位移限制，通過(guò)位移的數(shù)量疊加來(lái)達(dá)到需要，所以步進(jìn)式執(zhí)行器的輸出行程可以達(dá)到毫米級(jí)別，甚至是無(wú)限行程。步進(jìn)式驅(qū)動(dòng)原理主要包括尺蠖式驅(qū)動(dòng)原理、粘滑式驅(qū)動(dòng)原理和超聲式驅(qū)動(dòng)原理等多種[8-12]。

本文研究一種基于粘滑驅(qū)動(dòng)原理的旋轉(zhuǎn)式精密壓電執(zhí)行器，利用定子的十字交叉型柔性鉸鏈可以將壓電陶瓷的微小位移有效轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的微小角位移，利用鋸齒波信號(hào)電壓實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的粘滑驅(qū)動(dòng)，最終可以獲得執(zhí)行器無(wú)限的角位移輸出。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓電執(zhí)行器的整體模型如圖1所示，該壓電執(zhí)行器主要由定子、轉(zhuǎn)子和2個(gè)壓電陶瓷構(gòu)成，其整體尺寸為42 mm×30 mm×10 mm。如圖2(a)所示，定子包括十字交叉型柔性鉸鏈、轉(zhuǎn)子安裝孔和壓電陶瓷安裝槽等部分。其中，十字交叉型柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)可以將2個(gè)壓電陶瓷的微位移轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的微角位移。2個(gè)預(yù)緊螺栓和墊片組合可以為2個(gè)壓電陶瓷提供預(yù)緊力，并可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)2個(gè)預(yù)緊螺栓調(diào)節(jié)十字交叉型柔性鉸鏈的初始剛度。

轉(zhuǎn)子與定子的安裝原理如圖2(b)所示，轉(zhuǎn)子分別通過(guò)墊片、彈簧、墊片和螺栓被裝配與定子的中間安裝孔內(nèi)，彈簧可以為轉(zhuǎn)子提供粘滯力，并且可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺栓調(diào)節(jié)粘滯力的大小。轉(zhuǎn)子可以作為壓電執(zhí)行器的輸出平臺(tái)，所使用的2個(gè)壓電陶瓷的尺寸為5 mm×5 mm×10 mm。

(a) 驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)

(b) 粘滑單元結(jié)構(gòu)

2 工作原理

該壓電執(zhí)行器工作時(shí)所需的電壓信號(hào)如圖3所示。在鋸齒波電壓的驅(qū)動(dòng)下，壓電執(zhí)行器的工作原理如圖4所示。

圖3 電壓信號(hào)

圖4 執(zhí)行器工作原理

在t0時(shí)刻，壓電執(zhí)行器處于初始狀態(tài)，2個(gè)壓電陶瓷所施加的電壓為0。如圖4(a)所示。

在t0～t1時(shí)段，鋸齒波電壓緩慢上升，在逆壓電效應(yīng)的作用下，2個(gè)壓電陶瓷緩慢伸長(zhǎng)并推動(dòng)十字交叉型柔性鉸鏈旋轉(zhuǎn)一定角度。在摩擦力的作用下，轉(zhuǎn)子也旋轉(zhuǎn)一定角度θ。如圖4(b)所示。

在t1～t2時(shí)段，鋸齒波電壓迅速下降，2個(gè)壓電陶瓷迅速收縮到原來(lái)長(zhǎng)度，十字交叉型柔性鉸鏈由于自身彈性恢復(fù)原形，迅速反方向旋轉(zhuǎn)到原來(lái)位置。在慣性的作用下，轉(zhuǎn)子保持原來(lái)位置。此時(shí)，執(zhí)行器恢復(fù)到t0時(shí)刻的狀態(tài)，不同之處是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)步長(zhǎng)。如圖4(c)所示。

通過(guò)以上步驟，壓電執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)一個(gè)步長(zhǎng)后又恢復(fù)初始狀態(tài)。不斷重復(fù)此過(guò)程，壓電執(zhí)行器將輸出大行程的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)該執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)分析易知，其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)行程可以達(dá)到無(wú)限。

3 運(yùn)動(dòng)分析

壓電陶瓷可以被看作是一彈簧阻尼質(zhì)量系統(tǒng)。因此，在運(yùn)動(dòng)分析中2壓電陶瓷可以被簡(jiǎn)化為一直線運(yùn)動(dòng)副。建立的壓電執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)模型如圖5所示，假設(shè)壓電陶瓷在電壓信號(hào)下的輸出位移為Δl，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心與壓電陶瓷中心線的距離為r，則轉(zhuǎn)子的單步旋轉(zhuǎn)角位移可以通過(guò)以下公式獲得：

2中心對(duì)稱分布的壓電陶瓷能夠保證十字交叉型柔性鉸鏈?zhǔn)芰ζ胶?，從而可以確保該壓電執(zhí)行器較高的運(yùn)動(dòng)精度。

圖5 運(yùn)動(dòng)模型

4 性能試驗(yàn)

為了測(cè)試執(zhí)行器樣機(jī)的試驗(yàn)性能，建立的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示。該系統(tǒng)主要由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、電源放大器、執(zhí)行器樣機(jī)、電容測(cè)微儀和計(jì)算機(jī)組成。鋸齒波信號(hào)由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)由電源放大器放大后被施加到執(zhí)行器樣機(jī)的2個(gè)壓電陶瓷，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角位移由電容測(cè)微儀的傳感器捕獲后傳達(dá)到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

圖6 試驗(yàn)系統(tǒng)

4.1 角位移輸出

該壓電執(zhí)行器在5種驅(qū)動(dòng)電壓下的十步角位移輸出曲線如圖6所示，該項(xiàng)測(cè)試中電壓信號(hào)的頻率為1 Hz。從圖7中可以看出，不同電壓下的壓電執(zhí)行器都有穩(wěn)定的角位移輸出，并且輸出曲線具有較高的重復(fù)性。隨著驅(qū)動(dòng)電壓的下降，輸出曲線的斜率逐漸減小，也就是執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)速度逐漸降低。當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率為1 Hz時(shí)，執(zhí)行器最大運(yùn)動(dòng)速度為647.7 μrad/s

圖7 不同電壓下的角位移輸出

4.2 步進(jìn)分辨率

由圖7可知，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的下降，壓電執(zhí)行器的步長(zhǎng)(單步角位移)逐漸減小?？梢酝茢?，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓下降到某值時(shí)，十字交叉型柔性鉸鏈的扭轉(zhuǎn)角度很小，以至于其復(fù)位速度太小而無(wú)法與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生滑動(dòng)，這樣，壓電執(zhí)行器將無(wú)法正常工作，這個(gè)臨界電壓值即為執(zhí)行器的最小驅(qū)動(dòng)電壓，在最小驅(qū)動(dòng)電壓下的最小單步角位移即為執(zhí)行器的分辨率。

通過(guò)不斷減小壓電執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)電壓，測(cè)得其最小驅(qū)動(dòng)電壓值為30 V，此時(shí)執(zhí)行器的輸出曲線如圖8所示。在30 V的驅(qū)動(dòng)電壓下，使壓電執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)20步，其產(chǎn)生的角位移為125.47 μrad。因此，該壓電執(zhí)行器的分辨率：

圖8 步進(jìn)分辨率測(cè)試

4.3 承載能力

在實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)載能力是執(zhí)行器的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本文中，通過(guò)不斷向轉(zhuǎn)子施加砝碼的方式，對(duì)壓電執(zhí)行器在驅(qū)動(dòng)電壓150 V，驅(qū)動(dòng)頻率1 Hz下的承載能力進(jìn)行了研究。在不同的負(fù)載下，壓電執(zhí)行器的輸出步角情況如圖9所示。通過(guò)試驗(yàn)獲得，該壓電執(zhí)行器的最大負(fù)載能力為27 N。

圖9 承載能力測(cè)試

5 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了一種基于粘滑驅(qū)動(dòng)原理的旋轉(zhuǎn)式精密壓電執(zhí)行器。在鋸齒波電壓信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，利用粘滑驅(qū)動(dòng)原理，實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行器的大行程、高分辨率的角位移輸出。十字交叉型柔性鉸鏈能夠有效將2個(gè)壓電陶瓷的直線位移轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)角位移。詳細(xì)介紹了該壓電執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)組成與工作原理，并對(duì)執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析。建立了試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行器樣機(jī)的工作性能進(jìn)行了測(cè)試。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該壓電執(zhí)行器運(yùn)行穩(wěn)定，輸出角位移具有高度的重復(fù)性。在1 Hz驅(qū)動(dòng)頻率下最大運(yùn)動(dòng)速度為647.7 μrad/s，其位移分辨率為6.27 μrad，最大承載能力為27 N。該壓電執(zhí)行器具有較好的工程應(yīng)用前景。