壓電促動(dòng)器的研制及其減振效果

姚曉成，蔣春燕，趙 程，曾 濤

(上海材料研究所，上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200437)

0 引 言

精密光學(xué)器件的應(yīng)用變得越來越廣泛，其微振動(dòng)的抑制成為研究熱點(diǎn)[1]。目前普遍采用彈簧類或橡膠類隔振器[2]來抑制精密器件的微振動(dòng)。但是，該類隔振器由于自身阻尼較小，在低頻激勵(lì)時(shí)不能有效起到減振作用，同時(shí)難以滿足精密器件高靈敏度、高精度和高穩(wěn)定性要求。因此，如何抑制精密器件的微振動(dòng)仍是目前亟待解決的問題。

壓電陶瓷是指經(jīng)直流高壓電場極化處理后具有壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷，具有密度小、響應(yīng)精度高，頻響高和輸出力大等優(yōu)點(diǎn)[3]，目前已應(yīng)用在衛(wèi)星[4]、空間望遠(yuǎn)鏡等微振動(dòng)抑制方面。單片壓電陶瓷的輸出位移較小，難以抑制實(shí)際工程中的大振幅振動(dòng)，這極大限制了其應(yīng)用。壓電層的串聯(lián)可以大幅增加相同電壓下壓電陶瓷的輸出位移[3]，因此通常將壓電陶瓷片串聯(lián)制成壓電層串聯(lián)、電極層并聯(lián)的壓電疊堆，以達(dá)到低電壓驅(qū)動(dòng)、高性能輸出的目的[3]。壓電疊堆是將多層壓電片通過環(huán)氧樹脂膠黏而制成的，兼具壓電片響應(yīng)精度高、頻響高和輸出力大等特點(diǎn)，但當(dāng)其受到橫向剪切力或縱向拉伸力時(shí)，極易發(fā)生損壞。在實(shí)際應(yīng)用過程中，需要給壓電疊堆設(shè)計(jì)一個(gè)促動(dòng)器結(jié)構(gòu)，減小其在運(yùn)動(dòng)過程中受到剪切力和拉伸力，從而延長壓電疊堆的使用壽命。

近年來，研究者們?yōu)樘岣邏弘姱B堆的輸出性能做了很多研究。CHOI等[5]將質(zhì)量塊與壓電疊堆裝配成促動(dòng)器，研究了促動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)特性和作動(dòng)特性。LI等[6]研究了提高慣性促動(dòng)器的振動(dòng)幅值，獲取更大作動(dòng)力的方法。LESIEUTRE等[7]提出了基于機(jī)械放大機(jī)構(gòu)的慣性壓電促動(dòng)器的制備方法。SHAO等[8]研制了一種微型慣性壓電促動(dòng)器，發(fā)現(xiàn)其在高載荷下仍能保持高精度的運(yùn)動(dòng)特性。上述學(xué)者研究了慣性壓電促動(dòng)器的制備和相關(guān)性能，但沒有進(jìn)行相應(yīng)的減振試驗(yàn)。

作者基于壓電疊堆的結(jié)構(gòu)特征，并且考慮到壓電疊堆在運(yùn)動(dòng)過程中因受剪切力與拉伸力作用而失效的問題，設(shè)計(jì)并研制了壓電促動(dòng)器，測試了相關(guān)輸出性能參數(shù)，搭建了慣性式壓電減振系統(tǒng)，進(jìn)行了0～100 Hz頻段的振動(dòng)控制試驗(yàn)，驗(yàn)證了壓電促動(dòng)器減振的有效性。

1 壓電促動(dòng)器的設(shè)計(jì)與性能

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選用上海材料研究所自主研發(fā)的尺寸為5 mm×5 mm×9 mm的壓電疊堆來組裝促動(dòng)器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 壓電疊堆的結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of piezoelectric stack

設(shè)計(jì)的促動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示，該促動(dòng)器主要由6個(gè)部件組成，自上而下分別為移動(dòng)桿件、鎖緊螺母、碟形簧片、外殼、壓電疊堆以及底座。該結(jié)構(gòu)中涉及到的主要連接方式為螺紋連接，即底座與外殼、鎖緊螺母與外殼之間均采用螺紋連接。當(dāng)施加正向電壓時(shí)，壓電疊堆會(huì)產(chǎn)生拉伸變形并帶動(dòng)移動(dòng)桿件對外輸出位移，當(dāng)撤去外加電壓后，壓電疊堆恢復(fù)到原長，移動(dòng)桿件在彈簧元件的作用下始終保持與壓電疊堆的緊密連接。經(jīng)稱量，該壓電促動(dòng)器的質(zhì)量為50 g。

圖2 促動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure diagram of actuator

由于球形結(jié)構(gòu)承壓能力強(qiáng)，同時(shí)受到來自任意方向的外力時(shí)，該力均可以向四周均勻地分散，從而極大減小剪切力。因此，將與壓電疊堆接觸的上下端面設(shè)計(jì)成球形凸點(diǎn)，通過移動(dòng)桿件和底座上的球形凸點(diǎn)與壓電疊堆的上下端部配合，保證安裝的直線度，從而極大地削減壓電疊堆在運(yùn)動(dòng)過程中可能受到的剪切力；同時(shí)通過預(yù)加載荷(調(diào)節(jié)鎖緊螺母與外殼之間的螺紋數(shù)，給予移動(dòng)桿件上固連的壓電疊堆一定的預(yù)緊力)使壓電疊堆產(chǎn)生預(yù)變形，從而減小壓電疊堆在運(yùn)動(dòng)時(shí)可能承受的拉伸力。

1.2 預(yù)緊力確定

預(yù)緊力的大小會(huì)影響壓電疊堆的輸出性能。采用如圖3所示的試驗(yàn)裝置測試不同預(yù)緊力下壓電疊堆的輸出位移。該裝置主要由3個(gè)單元組成，分別為位移監(jiān)測單元(激光位移傳感器)、施力單元(壓力施加部件)以及測力單元(測力計(jì))，自上而下對壓電疊堆施加預(yù)緊力，用測力計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測當(dāng)前預(yù)緊力大小，通過激光位移傳感器測定當(dāng)前預(yù)緊力下壓電疊堆的輸出位移，以最大輸出位移作為性能優(yōu)劣的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖3 壓電疊堆的預(yù)緊力-輸出位移試驗(yàn)裝置示意Fig.3 Test device diagram of preloading force-output displacement of piezoelectric stack

由圖4可以看出：預(yù)緊力小于100 N時(shí)，壓電疊堆的最大輸出位移基本不變；預(yù)緊力大于100 N時(shí)，最大輸出位移增大，壓電疊堆的輸出性能增強(qiáng)；當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到225 N時(shí)，最大輸出位移達(dá)到峰值，此時(shí)壓電疊堆的輸出性能最佳。因此，通過設(shè)計(jì)鎖緊螺母與外殼之間的螺紋數(shù)，將壓電促動(dòng)器的預(yù)緊力控制在225 N。

圖4 壓電疊堆的最大輸出位移-預(yù)緊力曲線Fig.4 Curve of maximum output displacement vs preloading force of piezoelectric stack

極化的壓電陶瓷在受壓后，晶格會(huì)產(chǎn)生畸變，同時(shí)部分電疇減小，部分電疇增大，部分垂直于受壓表面的極化c疇發(fā)生90°疇變向?yàn)閍疇。預(yù)緊狀態(tài)下的壓電陶瓷在外加電場的作用下，a疇再次發(fā)生90°疇變向復(fù)為c疇，使得晶體的總偶極矩發(fā)生變化，從而誘發(fā)更大的應(yīng)變，導(dǎo)致受壓后的等效壓電應(yīng)變系數(shù)增大[9]，宏觀上表現(xiàn)為逆壓電效應(yīng)增強(qiáng)，最大輸出位移增大。

1.3 促動(dòng)器的性能

由圖5可以看出：壓電疊堆在靜態(tài)測試中的輸出位移與施加電壓的關(guān)系曲線呈現(xiàn)為環(huán)狀，這是壓電疊堆存在遲滯效應(yīng)導(dǎo)致的；在150 V直流電壓驅(qū)動(dòng)下，壓電促動(dòng)器的最大輸出位移為10.35 μm，0預(yù)緊力下壓電疊堆的最大輸出位移為8.65 μm，225 N預(yù)緊力下壓電疊堆的最大輸出位移為10.78 μm。由此可見，225 N預(yù)緊力下壓電促動(dòng)器的輸出性能較0預(yù)緊力下的壓電疊堆有了較大的提升，但小于225 N預(yù)緊力下壓電疊堆的，推測為預(yù)緊力施加偏差和彈簧元件吸收位移導(dǎo)致。

圖5 不同預(yù)緊力下壓電疊堆和壓電促動(dòng)器的輸出位移隨施加電壓的變化曲線Fig.5 Curves between output displacement and applied voltage under different loads, preloads of piezoelectric stack and piezoelectric actuator

2 慣性式壓電促動(dòng)器的減振試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

將壓電促動(dòng)器的自由端與慣性質(zhì)量塊剛性連接組成慣性式壓電促動(dòng)器，以該慣性式壓電促動(dòng)器為核心元件，編寫閉環(huán)控制算法，對模擬環(huán)境振動(dòng)的等效懸臂梁進(jìn)行振動(dòng)抑制。減振試驗(yàn)裝置如圖6所示。激振臺(tái)帶動(dòng)與其連接的懸臂梁振動(dòng)以模擬低頻段的振動(dòng)環(huán)境，加速度傳感器采集振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行算法處理后輸出反相位的電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)慣性式壓電促動(dòng)器產(chǎn)生反相位慣性力對懸臂梁進(jìn)行振動(dòng)抑制，以激光位移傳感器監(jiān)測到的振幅衰減情況來評(píng)價(jià)減振效果。

圖6 慣性式壓電促動(dòng)器減振試驗(yàn)裝置示意Fig.6 Test device of inertial piezoelectric actuator vibration reduction

2.2 慣性質(zhì)量塊的參數(shù)確定

在壓電促動(dòng)器一端連接慣性質(zhì)量塊；當(dāng)壓電促動(dòng)器通入交變電壓時(shí)，壓電疊堆由于逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生正弦位移，帶動(dòng)慣性質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生加速度，從而對受控對象產(chǎn)生反作用力[10]。慣性質(zhì)量塊在壓電促動(dòng)器動(dòng)態(tài)輸出時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)慣性力，一方面放大壓電促動(dòng)器的輸出力，另一方面隔離非必要的干擾，對壓電疊堆起到一定的保護(hù)作用。

利用測力計(jì)測定不同振動(dòng)頻率下懸臂梁端部的輸出力。由圖7可以看出，輸出力隨著頻率的增加而增加，在0～100 Hz頻段內(nèi)懸臂梁端部的輸出力在57～63 mN之間。選定60 mN為梁端部輸出力的標(biāo)準(zhǔn)值。

圖7 懸臂梁端部輸出力與振動(dòng)頻率的曲線Fig.7 Curve of output force vs vibration frequency ofcantilever beam end

采用圖8(a)所示裝置測定慣性質(zhì)量塊質(zhì)量與輸出力的關(guān)系。由圖8(b)可以看出，慣性式壓電促動(dòng)器的輸出力隨著慣性質(zhì)量塊質(zhì)量的增加而增大，當(dāng)慣性質(zhì)量塊的質(zhì)量為130 g時(shí)，慣性式壓電促動(dòng)器的輸出力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值60 mN，故將慣性質(zhì)量塊質(zhì)量定為130 g。

圖8 慣性式壓電促動(dòng)器的輸出力測試裝置及輸出力-慣性質(zhì)量塊質(zhì)量的關(guān)系曲線Fig.8 Output force test device of inertial piezoelectric actuator (a) and curve of output force vs mass of inertial mass block (b)

2.3 振動(dòng)控制效果

采用圖6所示的減振試驗(yàn)裝置對慣性式壓電促動(dòng)器進(jìn)行減振試驗(yàn)，所用壓電促動(dòng)器的質(zhì)量為50 g，最大輸出位移為10.35 μm，慣性質(zhì)量塊的質(zhì)量為130 g。由圖9可以看出，當(dāng)激振臺(tái)產(chǎn)生頻率分別為50，75，100 Hz的振動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)減振裝置時(shí)減振效果即刻呈現(xiàn)，振幅分別減小了約53.2%，46%，50.4%。

圖9 不同頻率振動(dòng)時(shí)慣性式壓電促動(dòng)器的振幅變化Fig.9 Amplitude variation of inertial piezoelectric actuator at different frequencies

該慣性式壓電促動(dòng)器的減振效果是即時(shí)呈現(xiàn)的，具有即刻響應(yīng)、減振效果良好等優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié) 論

(1) 施加在壓電疊堆上的預(yù)緊力會(huì)影響其輸出性能，預(yù)緊力為225 N時(shí)，壓電疊堆的輸出性能最好，壓電促動(dòng)器的最佳預(yù)緊力為225 N，該預(yù)緊力下的最大輸出位移為10.35 μm。

(2) 在壓電促動(dòng)器最大輸出位移為10.35 μm、慣性質(zhì)量塊質(zhì)量為130 g的減振試驗(yàn)裝置中，振動(dòng)頻率為50，75，100 Hz時(shí)，慣性式壓電促動(dòng)器均具有良好的減振效果，振幅減小了約50%。