基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的慣性沖擊直線壓電馬達(dá)

賀提喜, 楊振中, 程子陽(yáng),湯玉竹, 郝 賽

(1. 華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045；2. 合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

大天區(qū)面積移目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)[1]是我國(guó)自主研發(fā)的大天區(qū)多目標(biāo)天文望遠(yuǎn)鏡。它需要一系列的光纖定位器將宇宙中的光線同時(shí)投射到可見(jiàn)光譜儀上以進(jìn)行宇宙學(xué)目標(biāo)的紅移觀測(cè)。針對(duì)LAMOST觀測(cè)的需求，研發(fā)了一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的慣性沖擊直線壓電馬達(dá)用于光纖掃描定位。

壓電馬達(dá)是一種利用逆壓電效應(yīng)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的一種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，因其具有微位移、低速大扭矩、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療器械、精密定位系統(tǒng)、電子掃描技術(shù)等領(lǐng)域[2-5]。壓電馬達(dá)結(jié)構(gòu)主要可分為慣性沖擊馬達(dá)[6]、超聲馬達(dá)[7]和尺蠖馬達(dá)[8]等。

慣性沖擊壓電馬達(dá)利用慣性沖擊來(lái)實(shí)現(xiàn)微位移，也被稱作“粘滑驅(qū)動(dòng)器[9]”。與其他類型的壓電馬達(dá)相比，慣性沖擊式壓電馬達(dá)具有結(jié)構(gòu)緊湊，分辨率高，操作簡(jiǎn)單及步距精確[10]等優(yōu)點(diǎn)，十分適合用作LAMOST光纖掃描系統(tǒng)的光纖定位器[11]。

1 結(jié)構(gòu)和原理

1.1 馬達(dá)整體結(jié)構(gòu)

圖1為馬達(dá)整體結(jié)構(gòu)的3D圖。2個(gè)壓電疊堆通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠粘接于基座與懸臂梁之間，作為激勵(lì)元件。2根光軸導(dǎo)軌固定于懸臂梁上方圓孔中。預(yù)緊螺母、彈簧片及預(yù)緊螺栓形成一個(gè)預(yù)緊結(jié)構(gòu)，可調(diào)節(jié)移動(dòng)滑塊與光軸導(dǎo)軌間的預(yù)緊力。

圖1 壓電馬達(dá)3D模型

為了避免基座底部直接粘接于工作平面阻礙懸臂梁的振動(dòng)，在基座底部設(shè)有凸臺(tái)用于連接工作平面，懸臂梁部分將懸空，且懸臂梁與基座間通過(guò)柔性鉸鏈相連，均有利于懸臂梁x方向的激振。由于加工誤差與安裝誤差的存在，光軸導(dǎo)軌易在y與z方向上產(chǎn)生偏移，會(huì)影響移動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，因此在類矩形塊x方向只開(kāi)一個(gè)圓形限位孔，另一邊采用矩形槽，與兩根光軸導(dǎo)軌配合，以解決上述誤差問(wèn)題。定位桿實(shí)現(xiàn)兩個(gè)類矩形塊z向的配合。

馬達(dá)主要部件由科品塑料模型模具廠加工制造，具體尺寸和材料如表1所示。

表1 壓電馬達(dá)主要部件結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 馬達(dá)工作原理

圖2為馬達(dá)的工作原理圖。馬達(dá)主要通過(guò)懸臂梁的左、右擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)滑塊在光軸導(dǎo)軌上的步進(jìn)位移。

圖2 壓電馬達(dá)的工作過(guò)程

由圖2(a)可知，壓電馬達(dá)1個(gè)工作周期主要由移動(dòng)滑塊隨光軸導(dǎo)軌擺動(dòng)階段①和移動(dòng)滑塊與光軸導(dǎo)軌產(chǎn)生相對(duì)位移階段②組成。

1) 階段①。馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為鋸齒波信號(hào)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓緩慢上升時(shí)，壓電疊堆緩慢伸長(zhǎng)，懸臂梁向左擺動(dòng)，從而帶動(dòng)光軸導(dǎo)軌向左擺動(dòng)。在此過(guò)程中，由于移動(dòng)滑塊與光軸導(dǎo)軌間的靜摩擦力作用，移動(dòng)滑塊相對(duì)于光軸導(dǎo)軌靜止。但由于光軸導(dǎo)軌向左擺動(dòng)，實(shí)際上移動(dòng)滑塊在空間上向左移動(dòng)一段距離。

2) 階段②。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓陡然下降，壓電疊堆迅速收縮，懸臂梁從左向右快速擺動(dòng)帶動(dòng)光軸導(dǎo)軌向右快速擺動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中，由于慣性作用，慣性力大于摩擦力，移動(dòng)滑塊將與光軸導(dǎo)軌產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，移動(dòng)滑塊只向右后退很小距離。

經(jīng)過(guò)階段①和②，移動(dòng)滑塊產(chǎn)生一個(gè)向左的微小步距。連續(xù)重復(fù)上述兩個(gè)階段，馬達(dá)實(shí)現(xiàn)向左的連續(xù)運(yùn)動(dòng)?；瑝K和振子的位移分別如圖2(b)所示。同理，將鋸齒波驅(qū)動(dòng)電壓反向，馬達(dá)可實(shí)現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)。

壓電疊堆直線變化時(shí)，使懸臂梁產(chǎn)生以鉸鏈為中心的微幅擺動(dòng)，由于該擺動(dòng)較小(約為4×10-4rad)，且正、負(fù)交替出現(xiàn)，相對(duì)于移動(dòng)滑塊的x向宏觀主導(dǎo)移動(dòng)，做近似忽略處理。

1.3 有限元仿真

為了避免激勵(lì)頻率與馬達(dá)的諧振頻率一致引起共振，利用有限元仿真軟件COMSOL5.2對(duì)馬達(dá)振動(dòng)座及部分進(jìn)行了仿真分析，如圖3所示。

圖3 一階彎曲振動(dòng)模態(tài)仿真

根據(jù)仿真結(jié)果，實(shí)驗(yàn)時(shí)將避開(kāi)共振頻率，從低頻至高頻開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖4為壓電馬達(dá)的實(shí)驗(yàn)裝置圖。采用臺(tái)式夾持鉗將壓電馬達(dá)固定設(shè)置于氣動(dòng)平臺(tái)上。通過(guò)信號(hào)發(fā)生器(Rigol DG 1022)輸出驅(qū)動(dòng)鋸齒波信號(hào)，經(jīng)由電壓放大器(Apex PA94)放大后施加給壓電疊堆，用以激勵(lì)壓電馬達(dá)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)數(shù)字示波器(Rigol DS 5022M)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的變化。將激光位移傳感器(OPTO NCDT 2300)正對(duì)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)方向布置，以此來(lái)測(cè)量馬達(dá)的輸出位移特性，相關(guān)數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)中。

圖4 壓電馬達(dá)實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.2 馬達(dá)步距特性

當(dāng)馬達(dá)樣機(jī)的預(yù)緊力為0.2 N，頻率為600 Hz，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為鋸齒波偏置一半，電壓峰-峰值分別為60 V(30 V偏置)、30 V及15 V時(shí)，通過(guò)激光位移傳感器得到了馬達(dá)樣機(jī)的位移響應(yīng)曲線，如圖5所示。由圖可知，在電壓峰-峰值15 V時(shí)，壓電馬達(dá)的步距約為0.8 μm。該馬達(dá)在鋸齒波信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，步距均勻，運(yùn)動(dòng)速度穩(wěn)定。

圖5 位移響應(yīng)曲線圖

2.3 無(wú)負(fù)載特性

驅(qū)動(dòng)信號(hào)為鋸齒波偏置一半，驅(qū)動(dòng)電壓峰-峰值為60 V時(shí)，測(cè)試了在不同預(yù)緊力條件下馬達(dá)運(yùn)動(dòng)速度與輸入頻率間的關(guān)系，如圖6所示。由圖可知，在600 Hz驅(qū)動(dòng)頻率下，當(dāng)馬達(dá)預(yù)緊力為0時(shí)，馬達(dá)無(wú)負(fù)載速度為1.713 mm/s；當(dāng)馬達(dá)預(yù)緊力為0.2 N時(shí)，馬達(dá)無(wú)負(fù)載速度為1.83 mm/s；當(dāng)馬達(dá)預(yù)緊力為0.4 N時(shí)，馬達(dá)無(wú)負(fù)載速度為1.375 mm/s。

圖6 工作頻率與滑塊速度關(guān)系圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電壓一定的條件下，馬達(dá)的輸出速度與預(yù)緊力及工作頻率有關(guān)。預(yù)緊力與驅(qū)動(dòng)電壓一定時(shí)，馬達(dá)樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度與工作頻率呈線性關(guān)系，工作頻率越高，馬達(dá)運(yùn)動(dòng)速度越大。

圖7為驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率600 Hz時(shí)馬達(dá)在不同預(yù)緊力下運(yùn)動(dòng)速度與驅(qū)動(dòng)電壓間的關(guān)系。由圖可看出，在預(yù)緊力與工作頻率條件相同時(shí)，馬達(dá)運(yùn)動(dòng)速度隨驅(qū)動(dòng)電壓增大而增大，這是因?yàn)殡S著電壓的不斷增加，壓電疊堆發(fā)生形變幅度增大，從而使懸臂梁的振幅變大，壓電馬達(dá)的步距變大，宏觀速度增大。

圖7 驅(qū)動(dòng)電壓與滑塊速度關(guān)系圖

在工作頻率為600 Hz，驅(qū)動(dòng)電壓峰-峰值為60 V時(shí)，馬達(dá)運(yùn)動(dòng)速度與預(yù)緊力間的關(guān)系如圖8所示。由圖可看出，馬達(dá)運(yùn)動(dòng)速度隨著預(yù)緊力的增大先增大后減小，在預(yù)緊力為0.2 N時(shí)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)1.83 mm/s。

圖8 預(yù)緊力與滑塊速度關(guān)系圖

2.4 馬達(dá)負(fù)載特性

圖9為樣機(jī)在不同預(yù)緊力下的負(fù)載特性。由圖可看出，在驅(qū)動(dòng)電壓峰-峰值為60 V，工作頻率為600 Hz時(shí)，馬達(dá)樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度隨著負(fù)載的增加而不斷降低，負(fù)載能力隨預(yù)緊力的增大而增強(qiáng)。當(dāng)預(yù)緊力為0時(shí)，馬達(dá)樣機(jī)的最大負(fù)載為0.08 N；當(dāng)預(yù)緊力為0.2 N時(shí)，馬達(dá)樣機(jī)的最大負(fù)載為0.12 N；當(dāng)預(yù)緊力為0.4 N時(shí)，馬達(dá)樣機(jī)的最大負(fù)載為0.18 N。

圖9 樣機(jī)在不同預(yù)緊力下的負(fù)載特性

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的慣性沖擊直線壓電馬達(dá)。驗(yàn)證了其工作原理，制造了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，測(cè)試了該類馬達(dá)樣機(jī)的性能。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試可知，在預(yù)緊力為0.2 N時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為鋸齒波偏置一半，電壓峰-峰值為60 V(600 Hz)時(shí)，馬達(dá)無(wú)負(fù)載速度為1.83 mm/s，驅(qū)動(dòng)信號(hào)峰-峰值15 V時(shí)，馬達(dá)的位移分辨率為0.8 μm；當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)峰-峰值為60 V(600 Hz)，預(yù)緊力為0.4 N時(shí)，馬達(dá)最大負(fù)載為0.18 N。馬達(dá)的行程為40.5 mm，等于光軸導(dǎo)軌長(zhǎng)度(45 mm)減去懸臂梁厚度(0.5 mm)和滑塊寬度(4 mm)，行程很大限度地利用了導(dǎo)軌自身長(zhǎng)度。

本文基于懸臂梁的慣性沖擊壓電馬達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易裝配，位移分辨率高，運(yùn)行速度均勻平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能使行程充分發(fā)揮，負(fù)載能力適合，基本符合LAMOST的光纖定位器掃描需求。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化，馬達(dá)的綜合性能必將得到進(jìn)一步提高，更適用于產(chǎn)品需求。此外，本研究對(duì)拓展壓電馬達(dá)的研究思路也具有重要意義。