新型塔形壓電式粘滑直線作動(dòng)器

陳乾偉，鞠全勇，黃衛(wèi)清，時(shí)運(yùn)來(lái)

(1.金陵科技學(xué)院，南京211169;2.南京航空航天大學(xué)，南京210016)

0 引 言

隨著超精密加工與測(cè)量?jī)x器、半導(dǎo)體技術(shù)、微裝配和生物醫(yī)學(xué)工程微操作機(jī)器人等現(xiàn)代高新技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)提出了許多新的要求，如大行程、高速度和納米級(jí)定位精度、功率密度大、無(wú)電磁干擾等。由于壓電作動(dòng)器在體積、精度、響應(yīng)速度、輸出力及功率密度等方面具有明顯的綜合優(yōu)勢(shì)，因此滿足上述要求的關(guān)鍵是研發(fā)大行程、高速度和納米級(jí)定位精度的壓電直線作動(dòng)器［1-6］。

眾所周知，大行程、高速度與高定位精度是矛盾的，但是壓電式粘滑作動(dòng)器卻能夠兼顧這幾方面的性能:它具有若干厘米以上的行程以及若干mm/s速度的同時(shí)，還具有小于5 nm 的超高定位精度;此外，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊并能夠提供較高的運(yùn)動(dòng)剛度。因此，壓電式粘滑作動(dòng)器特別適用于諸如微操作之類(lèi)的高技術(shù)領(lǐng)域［7-8］。

基于壓電式粘滑作動(dòng)器的優(yōu)異性能以及在現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，我們研發(fā)了一種塔形壓電式粘滑直線作動(dòng)器。

1 作動(dòng)器設(shè)計(jì)

1.1 塔形定子設(shè)計(jì)

由于“塔形”結(jié)構(gòu)具有“聚焦”能量的優(yōu)點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)的電機(jī)定子采用了如圖1 所示的塔形結(jié)構(gòu)。圖1 的塔形定子含有兩個(gè)正方形截面的柱形結(jié)構(gòu)，這兩個(gè)柱形結(jié)構(gòu)在端部被錐形的驅(qū)動(dòng)足聯(lián)接，兩個(gè)柱形結(jié)構(gòu)的外表面粘貼有4 片壓電陶瓷。

要構(gòu)造粘滑作動(dòng)器，需要定子在鋸齒波驅(qū)動(dòng)信號(hào)的激勵(lì)下，定子驅(qū)動(dòng)足端部產(chǎn)生平行于動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方向的非對(duì)稱切向振動(dòng)。具體到本文研究的塔形結(jié)構(gòu)定子，選擇如圖2 所示的非共振狀態(tài)下強(qiáng)迫彎曲振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生所需要的非對(duì)稱切向振動(dòng)。

圖1 塔形定子結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 塔形定子切向非共振強(qiáng)迫振動(dòng)的振型

為了實(shí)現(xiàn)圖2 的非共振強(qiáng)迫振動(dòng)的振型，設(shè)計(jì)了如圖3 所示的壓電陶瓷片的極化布置方案。整個(gè)塔形定子共用4 片壓電陶瓷，沿厚度方向極化，全部4 片壓電陶瓷構(gòu)成A 相，通過(guò)對(duì)A 相施加鋸齒波驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可以得到所需的切向振動(dòng)。

圖3 壓電陶瓷片的極化布置方案圖

利用此切向振動(dòng)構(gòu)成粘滑作動(dòng)器的工作原理如圖4 所示。當(dāng)給定子的A 相施加先緩慢上升再快速下降的周期性連續(xù)鋸齒波信號(hào)，定子驅(qū)動(dòng)足將產(chǎn)生緩慢正向運(yùn)動(dòng)快速反向運(yùn)動(dòng)的非對(duì)稱振動(dòng)，驅(qū)使動(dòng)子正向運(yùn)行;當(dāng)鋸齒波驅(qū)動(dòng)信號(hào)反相，定子驅(qū)動(dòng)足將相應(yīng)產(chǎn)生反相的非對(duì)稱振動(dòng)，驅(qū)使動(dòng)子反向運(yùn)行。

圖4 塔形定子粘滑運(yùn)動(dòng)機(jī)理

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案制作的塔形定子樣機(jī)如圖5所示。塔形定子尺寸20 mm×6 mm×30 mm，質(zhì)量20 g。

圖5 塔形定子樣機(jī)

1.2 作動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

塔形定子制作好之后，還需要完成以下工作才能構(gòu)成塔形作動(dòng)器。設(shè)計(jì)并制作相應(yīng)的動(dòng)子;將定子與動(dòng)子安裝在共同的基座上;選擇合適的預(yù)壓力使定子與動(dòng)子相互接觸。這些工作就是作動(dòng)器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得合理與否，將嚴(yán)重影響到作動(dòng)器的運(yùn)行穩(wěn)定性和定位精度。

由于一般采用購(gòu)買(mǎi)的商品導(dǎo)軌或平臺(tái)作為直線作動(dòng)器的動(dòng)子，因此在作動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要考慮兩個(gè)問(wèn)題:一是定子與動(dòng)子的安裝;二是定子與動(dòng)子之間預(yù)壓力的施加。

在參考Nanomotion 電機(jī)整體結(jié)構(gòu)［9］的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了如圖6 所示的塔形定子驅(qū)動(dòng)的基于三滾子結(jié)構(gòu)的一維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)行程30 mm。

圖6 塔形定子驅(qū)動(dòng)的一維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

這種結(jié)構(gòu)主要由三個(gè)滾子(軸承)、滑板、鉸鏈、基座、預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)、塔形定子及一維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成。由于采用了三滾子結(jié)構(gòu)，再加上側(cè)向的螺栓和蝶簧的作用，在消除定子安裝側(cè)隙的同時(shí)，使得定子安裝夾持的切向位移剛度?法向位移剛度，非常有利于作動(dòng)器的穩(wěn)定運(yùn)行和精密定位［10］。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 模態(tài)實(shí)驗(yàn)

采用德國(guó)Polytec 公司生產(chǎn)的PSV300F - B 型高頻掃描激光測(cè)振系統(tǒng)對(duì)塔形定子進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 和表1 所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:

(1)在0 ～13 000 Hz 的頻率范圍內(nèi)，彎振模態(tài)幅頻曲線沒(méi)有共振峰值，其彎曲振動(dòng)屬于非共振強(qiáng)迫振動(dòng);

(2)在0 ～13 000 Hz 的頻率范圍內(nèi)，其非共振強(qiáng)迫振動(dòng)振型與設(shè)計(jì)所選擇的振型一致;

(3)在0 ～13 000 Hz 頻率范圍內(nèi)，并且在峰峰值80 V 電壓定頻激勵(lì)下，測(cè)得5 個(gè)典型采樣點(diǎn)的非共振強(qiáng)迫彎曲振動(dòng)幅值為30 ～50 nm，驗(yàn)證了stick-slip principle 運(yùn)行的可行性。

圖7 塔形定子y-z 面內(nèi)非共振強(qiáng)迫彎曲振動(dòng)的振型

表1 80 V 電壓塔形定子非共振強(qiáng)迫振動(dòng)下不同激勵(lì)頻率對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)足切向振幅

2.2 機(jī)械特性實(shí)驗(yàn)

塔形作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)信號(hào)平臺(tái)由信號(hào)發(fā)生器和功率放大器構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)時(shí)，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出單相鋸齒波電壓信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后，輸出驅(qū)動(dòng)塔形作動(dòng)器。

圖8 為塔形作動(dòng)器測(cè)試系統(tǒng)，它主要由圖6 的一維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和Renishaw XL-80 激光干涉儀兩部分構(gòu)成，用來(lái)測(cè)試塔形作動(dòng)器的性能指標(biāo)。激光干涉儀系統(tǒng)精度為±0.5×10-6，激光穩(wěn)頻精度為±0.05×10-6，測(cè)量范圍0 ～80 m，分辨率為1 nm，最大測(cè)量速度為4 m/s，最高采樣頻率為50 kHz。測(cè)試實(shí)驗(yàn)在10萬(wàn)等級(jí)潔凈房環(huán)境中進(jìn)行。

圖8 塔形作動(dòng)器測(cè)試系統(tǒng)

圖9 是在鋸齒波激勵(lì)信號(hào)的峰峰值電壓400 V、預(yù)壓力為6 N 條件下塔形作動(dòng)器的機(jī)械特性曲線。由圖9 中可以看出:(1)作動(dòng)器穩(wěn)定運(yùn)行的頻域很寬，在1 ～14 000 Hz 范圍內(nèi)，都可以采用鋸齒波對(duì)作動(dòng)器進(jìn)行正反向驅(qū)動(dòng)，在8 000 Hz 的驅(qū)動(dòng)效果最好;(2)在1 ～8 000 Hz 范圍內(nèi)，作動(dòng)器的運(yùn)行速度隨著驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的升高而單調(diào)上升;在8 000～14 000 Hz 范圍內(nèi)，作動(dòng)器的運(yùn)行速度隨著驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的升高而單調(diào)下降;(3)驅(qū)動(dòng)頻率在8 000 Hz時(shí)作動(dòng)器速度最大，為1.2 mm/s;在1 Hz 時(shí)作動(dòng)器速度最小，為35 nm/s。

圖9 塔形作動(dòng)器機(jī)械特性曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研發(fā)了一種塔形壓電式粘滑直線作動(dòng)器。該作動(dòng)器由塔形定子和動(dòng)子構(gòu)成，當(dāng)輸入鋸齒波激勵(lì)信號(hào)時(shí)，塔形定子利用y-z 面內(nèi)強(qiáng)迫彎曲振動(dòng)來(lái)激發(fā)定子驅(qū)動(dòng)足產(chǎn)生非對(duì)稱切向振動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)動(dòng)子正反向運(yùn)動(dòng)。

經(jīng)測(cè)試，在鋸齒波激勵(lì)信號(hào)的峰峰值電壓400 V、預(yù)壓力6 N 的條件下驅(qū)動(dòng)頻率在1 ～14 000 Hz范圍內(nèi)，該作動(dòng)器能夠穩(wěn)定運(yùn)行;驅(qū)動(dòng)頻率在8 000 Hz 時(shí)作動(dòng)器速度最大，為1.2 mm/s;驅(qū)動(dòng)頻率在1 Hz 時(shí)作動(dòng)器速度最小，為35 nm/s。

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