超聲自行走精密定位機構(gòu)

李 聞 鈺

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

隨著當前精密工程技術(shù)在若干領(lǐng)域的快速發(fā)展，對精密定位技術(shù)的需求日益增長，它要求系統(tǒng)具有微納米級的定位精度[1-3]。在超聲自行走精密定位機構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域中，壓電陶瓷微位移驅(qū)動器是近年來發(fā)展起來的新型微位移器件，它具有體積小，響應(yīng)快，無噪聲的特點，在微納米級的精密定位系統(tǒng)中得到大量的應(yīng)用[4-7]。本文提出了一種以壓電陶瓷為驅(qū)動器的新型超聲自行走機構(gòu)，揭示了機構(gòu)在自行走時的運動學(xué)特性，討論了基于壓電耦合的結(jié)構(gòu)模型，基于模態(tài)分析的模態(tài)共振。實驗證明該自行走機構(gòu)的輸出位移精度可達10 μm，若將該自行走機構(gòu)應(yīng)用于精密測量領(lǐng)域，結(jié)合控制反饋系統(tǒng)，可使測量系統(tǒng)具有穩(wěn)定性強，高效準確，可靠性高，推廣性好等特點。

1 結(jié)構(gòu)特征及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)分為兩部分：

1) 主體部分為航空鋁一體結(jié)構(gòu)，考慮到機構(gòu)的微型化與輕量化，采用鋁結(jié)構(gòu)可使機構(gòu)在行走過程中減少阻力，進而提高可控性。

圖1 機械結(jié)構(gòu)模型圖

2) 另一部分是壓電陶瓷，主體結(jié)構(gòu)的上方打有2個貫穿至腹板處的正方形孔，用來在頂絲預(yù)緊腹板處放置2個壓電陶瓷。2個壓電陶瓷放于腹板外側(cè)，在易拆卸的同時也使整個結(jié)構(gòu)處于對稱狀態(tài)。以此使設(shè)計的結(jié)構(gòu)緊湊，并為模態(tài)分析創(chuàng)造了便利條件，利于尋找為實現(xiàn)其運動所需的伸長、彎曲與扭轉(zhuǎn)模態(tài)。

1.2 運動原理

該結(jié)構(gòu)通過壓電激勵使該結(jié)構(gòu)伸長模態(tài)與彎曲模態(tài)超聲共振來實現(xiàn)沿一個方向的自行走。該結(jié)構(gòu)在具有伸長模態(tài)和彎曲模態(tài)的同時還具有扭轉(zhuǎn)模態(tài)，通過不斷的尺寸調(diào)整進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使3種模態(tài)的頻率相近，再用3種模態(tài)的共振頻率去激勵結(jié)構(gòu)，使其發(fā)生耦合共振振動。3種模態(tài)的疊加，可以通過用適當?shù)募钚盘柤ぐl(fā)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，使該結(jié)構(gòu)在沿一個方向運動同時進行反向從而沿著相反方向運動。

2 機電耦合仿真分析

2.1 仿真條件

為找到該結(jié)構(gòu)的模態(tài)，需對該結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析。為得到較精確的模態(tài)分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)進行尺寸為2 mm的網(wǎng)格劃分。當利用ANSYS Workbench對含有壓電陶瓷的材料進行模態(tài)分析時，壓電陶瓷PL055的密度為7 700 kg/m2,介電常數(shù)ε11=3 300 F/m, 彈性剛度常數(shù)矩陣及壓電常數(shù)矩陣分別為

(1)

(2)

Al的密度為2 900 kg/m2,彈性模量為7.1×109Pa,泊松比為0.33。

2.2 仿真結(jié)果與討論

為保證實現(xiàn)超聲共振，結(jié)合實驗室現(xiàn)有條件，需調(diào)整3種模態(tài)頻率為20～40 kHz，并通過不斷的尺寸優(yōu)化使3種模態(tài)頻率相近，且共振效果最佳。仿真所得模態(tài)如圖2所示。3種模態(tài)頻率相近基本符合條件，下面將進行實驗找出使3種模態(tài)的共振頻率，并驗證機構(gòu)自行走的可行性。

圖2 模態(tài)分析結(jié)果圖

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 實驗系統(tǒng)的搭建

本次實驗是在光學(xué)防振平臺上完成的，使用型號NES-200-24的明緯開關(guān)電源對功率放大器(型號E-617 LVPZT)進行供電，將控制信號輸入到壓電驅(qū)動上，在輸出端產(chǎn)生的運動通過電容式位移傳感器(帶有探頭5503的Microsense5810模塊，USA)來捕獲，測量的范圍和帶寬分別為500 μm和20 kHz，位移以電壓信號的形式傳送到具有D/A和A/D的數(shù)據(jù)采集板(NI PCI-6259,USA)，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡存儲到電腦上，在開環(huán)狀態(tài)下進行測試實驗。在反饋控制方面，設(shè)計的控制算法通過桌面實時環(huán)境中Matlab/Simulink模塊實現(xiàn)，具體流程圖如圖3所示。加工出的實物圖如圖4所示。

圖3 參數(shù)辨識測試系統(tǒng)流程圖

圖4 加工實物圖

3.2 激勵頻率響應(yīng)特征

由圖2可知,該結(jié)構(gòu)的3種模態(tài)及其對應(yīng)的頻率為找到共振頻率，考慮到理論模型與實際存在的誤差，現(xiàn)通過兩個壓電陶瓷分別輸入相同的頻率，在20～28 kHz,以500 Hz為單位分為17組進行實驗，計算并比較得到的位移值。當找到實現(xiàn)行走時位移最大的頻率，該頻率即為伸長模態(tài)與彎曲模態(tài)共振的最優(yōu)頻率。將數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)整理成機構(gòu)位移-運行時間曲線圖與位移-頻率圖，如圖5所示。

圖5 激勵頻率響應(yīng)特征圖

由圖5可知，最大位移16 μm出現(xiàn)在頻率為21.5 kHz處，計算出最大速度為8.8×10-2μm/s，該頻率即為最優(yōu)共振頻率。同時，由圖還可知位移存在反向，說明在基于伸長模態(tài)與彎曲模態(tài)共振實現(xiàn)自行走的基礎(chǔ)上，加上扭轉(zhuǎn)模態(tài)共振后使物體呈現(xiàn)反向運動。為進一步實現(xiàn)反向運動控制，需要在21.5 kHz頻率條件下調(diào)整兩輸入頻率的相位，來找到實現(xiàn)反向的情況。

3.3 反向運動控制

在21.5 kHz輸入頻率條件下調(diào)整兩輸入頻率的相位差(Δφ)，Δφ在0～π時分6組進行測試，同樣，將數(shù)據(jù)采集卡采集到的位移曲線匯總至同一起點，整理成機構(gòu)位移-運行時間曲線圖如圖6所示。

圖6 機構(gòu)位移-運行時間曲線圖(Δφ相關(guān))

由圖6可知，當Δφ為π/6、π/2、π時機構(gòu)在沿一個方向運動的同時也進行反向運動。由此，便實現(xiàn)了機構(gòu)沿一個方向?qū)崿F(xiàn)自行走并進行反向運動的可控性。

3.4 激勵電壓響應(yīng)特征

為進一步優(yōu)化機構(gòu)自行走的性能，在輸入頻率的幅值上進行調(diào)整，考慮到壓電陶瓷的限定電壓范圍，其他條件不變，輸入頻率幅值在10～50 V時分5組進行測試，得到位移-輸入電壓幅值曲線如圖7所示。

圖7 位移-輸入電壓幅值曲線圖

由圖7可知，當輸入電壓幅值為20 V時，機構(gòu)位移達到最大，且在達到最大位移后，隨著輸入電壓幅值的增加，機構(gòu)的自行走位移有下降趨勢。由此可知，輸入電壓幅值是影響機構(gòu)自行走的一個重要因素，為使運動效果最佳，需要對輸入電壓幅值進行必要的調(diào)整。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)現(xiàn)代壓電驅(qū)動器高效，低能耗，響應(yīng)快的要求，提出了一種可自行走的微型機器設(shè)計方法，并介紹了微型機器的結(jié)構(gòu)和工作原理。然后研究了仿真中的模態(tài)分析及驗證實物性能的實驗測試。最后，給出了在機構(gòu)的3種模態(tài)共振下如何提高微型機器自行走性能的方法。實驗結(jié)果證明，微型機器的運動測量精度在微米級；在21.5 kHz激勵下，自行走運動最大速度為8.8×10-2μm/s；當兩輸入頻率相位差為π/6、π/2、π時便可實現(xiàn)在沿一個方向運動的同時進行反向運動，基本滿足了超聲自行走微型智能機器的要求。