基于結(jié)構(gòu)一體化的壓電尺蠖直線電機(jī)設(shè)計(jì)

應(yīng)志奇，劉文翠，惠相君，周鵬飛，汪家樂(lè)，孫靖康，崔玉國(guó)

(1. 寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波 315211；2. 首信自動(dòng)化信息技術(shù)有限公司，河北 遷安 064400)

0 引言

壓電尺蠖直線電機(jī)是一種具有毫米級(jí)以上運(yùn)動(dòng)行程、亞微米級(jí)精度、納米級(jí)分辨率的精密驅(qū)動(dòng)器。在生物工程領(lǐng)域，它可以為加工與操作細(xì)胞與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)所需的精密定位系統(tǒng)提供毫米級(jí)的工作行程和亞微米級(jí)的定位精度[1]；在光學(xué)工程領(lǐng)域，它可以為精密光學(xué)元件的加工以及表面形貌檢測(cè)提供大行程、高精度的驅(qū)動(dòng)定位[2-3]；在IC制造領(lǐng)域，它可以為芯片光刻與封裝提供亞毫米級(jí)的行程以及納米級(jí)的定位分辨率[4]。

與傳統(tǒng)的直線電機(jī)相比，壓電尺蠖直線電機(jī)在眾多精密領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)此展開(kāi)了廣泛研究。劉建芳等[5]研制出一種推動(dòng)式壓電尺蠖直線電機(jī)，可獲得的最大箝位力為70 N，靜、動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)力分別為63 N、47 N，電機(jī)的分辨率為40 nm，最大速度為0.24 mm/s；李全松等[6]研制出一種新型爬行式壓電尺蠖直線電機(jī)，該電機(jī)的運(yùn)動(dòng)范圍為20 mm，可獲得的箝位力與驅(qū)動(dòng)力分別為47 N與38 N，電機(jī)的分辨率為20 nm，最大速度達(dá)到0.48 mm/s；J. Park等[7]研制出一種同時(shí)擁有大位移和大推力的壓電尺蠖直線電機(jī)，可獲得的靜、動(dòng)態(tài)箝位力分別為2.25 kN與50 N，電機(jī)能達(dá)到的最大速度為11 mm/s；Peter E.Tenzer等[8]研制出一種新型結(jié)構(gòu)的壓電尺蠖直線電機(jī)，該電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度最大為0.02 m/s，最大剛度達(dá)88 N/μm，推力最大為150 N；Nicolas Ferrier等[9]研制出了一種采用楔形結(jié)構(gòu)作為箝位機(jī)構(gòu)的壓電尺蠖直線電機(jī)，該電機(jī)的最大驅(qū)動(dòng)力為1.5 kN；Edward Williams等[10]設(shè)計(jì)了一種基于力放大原理的大推力壓電尺蠖直線電機(jī)，該電機(jī)的最大運(yùn)動(dòng)行程為220 μm，最大驅(qū)動(dòng)力為39 N。

當(dāng)前的壓電尺蠖電機(jī)都是分體式結(jié)構(gòu)，即各部分結(jié)構(gòu)通過(guò)裝配形成一體，這導(dǎo)致電機(jī)的結(jié)構(gòu)不夠緊湊；同時(shí)，箝位位移、釋放位移需通過(guò)裝配過(guò)程中預(yù)設(shè)的過(guò)盈量來(lái)保證，這對(duì)電機(jī)的加工和裝配精度提出了較高的要求；而且，電機(jī)機(jī)體裝配往往會(huì)降低各組成部分之間的接觸剛度，增大阻尼，導(dǎo)致電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性變差[11-12]。

本文以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、加工與裝配精度要求低、箝位機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一體化為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了壓電尺蠖直線電機(jī)。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于結(jié)構(gòu)一體化的構(gòu)想，本文設(shè)計(jì)的壓電尺蠖直線電機(jī)如圖1(a)所示，它由電機(jī)機(jī)體、釋放用壓電執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)用壓電執(zhí)行器、輸出軸、箝位機(jī)構(gòu)預(yù)緊螺釘、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)預(yù)緊螺釘、預(yù)緊墊塊組成。其中，機(jī)體由左、右兩結(jié)構(gòu)相同的箝位機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，且箝位機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均為柔性薄板式結(jié)構(gòu)。

圖1 電機(jī)三維造型

左、右箝位機(jī)構(gòu)均包括2個(gè)箝位單元，它們通過(guò)斷電箝位、通電釋放的方式對(duì)輸出軸進(jìn)行交替箝位與釋放；而由兩組雙平行柔性薄板式三角放大結(jié)構(gòu)組成的箝位單元，既可對(duì)釋放用壓電執(zhí)行器的輸出位移進(jìn)行放大，又可在釋放用壓電執(zhí)行器的軸線方向上僅輸出平動(dòng)位移。預(yù)緊墊塊(見(jiàn)圖1(b))可使釋放用壓電執(zhí)行器在被預(yù)緊時(shí)避免受到預(yù)緊螺釘?shù)呐ぞ刈饔?；定位肩可以?duì)釋放用壓電執(zhí)行器的安裝起到定位作用，提高裝配的精度。箝位單元各通過(guò)2個(gè)剛性連接部和1個(gè)箝位用柔性薄板與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接(見(jiàn)圖1(c))。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)輸出軸進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將左、右兩箝位機(jī)構(gòu)結(jié)合于其兩端，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化。其中，驅(qū)動(dòng)用柔性薄板用來(lái)輸出壓電執(zhí)行器的位移；柔性折疊梁同驅(qū)動(dòng)用柔性薄板相結(jié)合，二者可在驅(qū)動(dòng)用預(yù)緊螺釘?shù)淖饔孟庐a(chǎn)生預(yù)變形，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)用壓電執(zhí)行器的預(yù)緊；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)右側(cè)剛性部分上的沉頭孔用來(lái)固定電機(jī)機(jī)體。

由以上各部分結(jié)構(gòu)可知，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)一體化電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，加工及裝配難度低，且可實(shí)現(xiàn)斷電箝位。電機(jī)總體尺寸(不包含輸出軸)為74 mm×76 mm×60 mm。

考慮到材料對(duì)于壓電尺蠖直線電機(jī)的性能影響，對(duì)于電機(jī)的機(jī)體制作，采用韌性好、彈性高、密度小的航空鋁7075-T6；而對(duì)于電機(jī)輸出軸，則采用耐磨性和硬度高的軸承鋼40Cr進(jìn)行制作。

1.2 運(yùn)動(dòng)原理

首先在將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有沉頭孔一側(cè)的剛性部分固定的情況下，基于所設(shè)計(jì)的壓電時(shí)序(見(jiàn)圖2)，電機(jī)的箝位機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以交替動(dòng)作，最終使輸出軸實(shí)現(xiàn)連續(xù)直線運(yùn)動(dòng)。

圖2 電機(jī)的壓電控制時(shí)序

具體工作過(guò)程如下：

a) 對(duì)右箝位機(jī)構(gòu)的兩釋放用壓電執(zhí)行器通電，使得右側(cè)箝位機(jī)構(gòu)釋放輸出軸。

b) 對(duì)驅(qū)動(dòng)用壓電執(zhí)行器通電，使得驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)輸出軸向左輸出單步位移。

c) 對(duì)右箝位機(jī)構(gòu)兩釋放用壓電執(zhí)行器斷電，使得右箝位機(jī)構(gòu)再次對(duì)輸出軸進(jìn)行箝位。

d) 對(duì)左箝位機(jī)構(gòu)兩釋放用壓電執(zhí)行器通電，使得左箝位機(jī)構(gòu)釋放輸出軸。

e) 對(duì)驅(qū)動(dòng)用壓電執(zhí)行器斷電，使得驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)恢復(fù)原狀。

f) 對(duì)左箝位機(jī)構(gòu)兩釋放用壓電執(zhí)行器斷電，使左箝位機(jī)構(gòu)再次對(duì)輸出軸進(jìn)行箝位，此時(shí)，電機(jī)的箝位機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均恢復(fù)到初始狀態(tài)。

重復(fù)a)～f)，壓電尺蠖電機(jī)便連續(xù)向左輸出直線位移；改變箝位機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的通電時(shí)序，則可使電機(jī)向右連續(xù)輸出直線位移。

2 電機(jī)特性有限元分析

2.1 箝位機(jī)構(gòu)放大倍數(shù)及應(yīng)力分析

給左箝位機(jī)構(gòu)的兩箝位單元上、下剛性部分內(nèi)表面施加10 μm的位移(上、下各5 μm)。圖3為箝位單元位移分析結(jié)果。由圖可知，在10 μm的輸入位移作用下，箝位體沿箝位方向的位移為31.6 μm，可見(jiàn)箝位單元的位移放大倍數(shù)為3.16。

圖3 箝位單元位移分析結(jié)果

給箝位單元上下剛性部分內(nèi)表面施加40 μm的輸入位移(釋放用壓電執(zhí)行器的最大標(biāo)稱位移為40 μm)，圖4為箝位機(jī)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果。由圖可知，箝位單元最大應(yīng)力為178 MPa，遠(yuǎn)小于電機(jī)機(jī)體所用材料鋁合金7075的許用應(yīng)力(為540 MPa)，所以，箝位機(jī)構(gòu)在應(yīng)力方面完全滿足要求。

圖4 箝位機(jī)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果

2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)力分析

給同驅(qū)動(dòng)用壓電執(zhí)行器相接觸的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)左側(cè)內(nèi)端面施加100 μm的位移。圖5為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果。由圖可知，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力為206 MPa，小于電機(jī)機(jī)體所用材料鋁合金7075的許用應(yīng)力。100 μm的變形，完全能夠滿足驅(qū)動(dòng)用壓電執(zhí)行器裝配及預(yù)緊變形的要求。

圖5 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果

2.3 機(jī)體模態(tài)分析

圖6為電機(jī)機(jī)體前6階模態(tài)的振型與固有頻率。其中，圖6 (a)為非固定端箝位機(jī)構(gòu)繞y軸做縱向俯仰振動(dòng)，圖6 (b)為非固定端箝位機(jī)構(gòu)繞z軸做水平擺動(dòng)振動(dòng)，圖6 (c)為非固定端兩個(gè)箝位單元沿與箝位方向相反的方向做水平擺動(dòng)振動(dòng)，圖6 (d)為固定端單個(gè)箝位單元沿與箝位方向相反的方向做水平擺動(dòng)振動(dòng)，圖6 (e)為固定端單個(gè)箝位單元沿箝位方向做水平擺動(dòng)振動(dòng)，圖6 (f)為非固定端箝位機(jī)構(gòu)繞x軸做順時(shí)針扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。由圖可知，機(jī)體具有足夠高的共振頻率，抗震性較好。

圖6 機(jī)體振型及固有頻率的分析結(jié)果

3 電機(jī)特性測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

圖7為測(cè)試壓電尺蠖直線電機(jī)位移特性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由激光位移傳感器、計(jì)算機(jī)、壓電執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電源、包含模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)和數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A)的多功能數(shù)據(jù)卡、電機(jī)機(jī)體、手動(dòng)平移臺(tái)組成。位移特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：首先，為使激光位移傳感器處于測(cè)量范圍內(nèi)，對(duì)手動(dòng)平移臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)；然后，計(jì)算機(jī)輸出所需要的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，經(jīng)多功能數(shù)據(jù)卡上的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓后施加到壓電執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電源上；接著，壓電執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電源將模擬電壓進(jìn)行放大，并施加于壓電執(zhí)行器上使其輸出微位移，進(jìn)而電機(jī)在壓電執(zhí)行器的作用下也產(chǎn)生相應(yīng)的微位移；最后，激光位移傳感器檢測(cè)到該微位移，并由多功能數(shù)據(jù)卡的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后采集到計(jì)算機(jī)內(nèi)。

圖7 電機(jī)位移測(cè)試系統(tǒng)

3.2 箝位機(jī)構(gòu)位移測(cè)試

給箝位機(jī)構(gòu)的釋放用壓電執(zhí)行器施加0～120 V～0的三角波電壓，測(cè)量箝位機(jī)構(gòu)沿釋放用壓電執(zhí)行器軸線方向的位移；然后在釋放用壓電執(zhí)行器的預(yù)緊狀態(tài)下，再給其施加0～120 V～0的三角波電壓,測(cè)量箝位機(jī)構(gòu)沿箝位方向的位移。圖8為箝位機(jī)構(gòu)位移圖。由圖可得，箝位機(jī)構(gòu)沿釋放用壓電執(zhí)行器軸線方向與沿箝位方向的最大位移分別為20.55 μm、62.63 μm。結(jié)合箝位機(jī)構(gòu)沿釋放用壓電執(zhí)行器軸線方向的位移特性，箝位單元的實(shí)際位移放大倍數(shù)為3.05。

圖8 箝位機(jī)構(gòu)位移

3.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位移特性測(cè)試

給驅(qū)動(dòng)用壓電執(zhí)行器施加0～120 V～0的三角波驅(qū)動(dòng)電壓，測(cè)量驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位移特性。圖9為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位移圖。由圖可得，在0～120 V～0電壓作用下，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的最大輸出位移為8.24 μm。

圖9 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位移

3.4 電機(jī)連續(xù)位移測(cè)試

在20 Hz的電機(jī)控制時(shí)序頻率下，給釋放用壓電執(zhí)行器施加幅值恒為120 V電壓，而給驅(qū)動(dòng)用壓電執(zhí)行器分別施加幅值為7.5 V、15 V、30 V、60 V、90 V、120 V電壓，測(cè)量電機(jī)在20 s內(nèi)所輸出的連續(xù)位移。圖10為電機(jī)連續(xù)位移圖。由圖可得，電機(jī)的連續(xù)位移具有良好的線性，原因是在電壓頻率不變的情況下，壓電執(zhí)行器的伸長(zhǎng)量與電壓幅值呈線性關(guān)系，在恒定的電壓作用下，壓電執(zhí)行器的伸長(zhǎng)量相對(duì)穩(wěn)定，因此，帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的單步位移也相對(duì)穩(wěn)定，而電機(jī)的連續(xù)位移是由單步位移累加起來(lái)的，故而表現(xiàn)出良好的線性。

圖10 電機(jī)連續(xù)位移

3.5 電機(jī)的速度測(cè)試

在電壓頻率分別為1 Hz、5Hz、10 Hz、20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz、60 Hz的情況下，給釋放用壓電執(zhí)行器施加幅值恒為120 V的電壓，而給驅(qū)動(dòng)用壓電執(zhí)行器分別施加幅值為60 V、90 V、120 V的電壓，測(cè)得電機(jī)的速度與頻率關(guān)系如圖11所示。

圖11 電機(jī)的速度與頻率關(guān)系

由圖11可看出，在頻率相同時(shí)，電機(jī)的速度隨著驅(qū)動(dòng)電壓幅值的增大而增大； 而在驅(qū)動(dòng)電壓幅值相同的情況下，當(dāng)時(shí)序頻率小于30 Hz時(shí)，隨著時(shí)序頻率的增大，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度也隨之增大，當(dāng)時(shí)序頻率超過(guò)30 Hz時(shí)，隨著時(shí)序頻率的增大，電機(jī)速度卻隨之減?。划?dāng)幅值為120 V、時(shí)序頻率為30 Hz的電壓作用于驅(qū)動(dòng)用壓電執(zhí)行器上時(shí)，電機(jī)的速度達(dá)到最大值0.17 mm/s。

3.6 電機(jī)的分辨率測(cè)試

在電機(jī)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，給其固定端箝位機(jī)構(gòu)的壓電執(zhí)行器施加幅值為120 V的梯形波電壓,驅(qū)動(dòng)用壓電執(zhí)行器施加可使輸出軸產(chǎn)生最小位移的階梯波電壓(0.9 V)。圖12為電機(jī)位移分辨率。由圖可得電機(jī)的位移分辨率為10 nm。

圖12 電機(jī)位移分辨率

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)一體化式壓電尺蠖直線電機(jī)，該電機(jī)將箝位機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)集成于一體，簡(jiǎn)化了電機(jī)的裝配與調(diào)節(jié)過(guò)程，降低了對(duì)機(jī)體加工、裝配的精度要求，并可實(shí)現(xiàn)斷電自鎖。采用有限元仿真方法分析了電機(jī)的靜、動(dòng)態(tài)特性。通過(guò)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試了電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)箝位機(jī)構(gòu)的最大箝位位移為62.63 μm，位移放大倍數(shù)為3.05倍；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的最大輸出位移為8.24 μm；在最大驅(qū)動(dòng)電壓120 V作用下，電機(jī)的最大運(yùn)動(dòng)速度為0.17 mm/s；電機(jī)的分辨率為10 nm。