基于粘滑驅動的精密旋轉壓電執行器研究

李元寶，紀興華

(萊蕪職業技術學院，萊蕪 271100)

0 引 言

隨著科學和技術的迅速發展，具有大運動行程和高位移分辨率的跨尺度精密執行器是生物工程、空間技術、航天科技、集成電路、現代醫療和MEMS等領域必不可缺的關鍵技術。然而傳統的機構如伺服電機、齒輪傳動等已很難達到要求[1-3]。為此，研究者紛紛致力于開發新型的驅動技術。

壓電陶瓷是一種新型的功能性陶瓷材料。正壓電效應和逆壓電效應是壓電陶瓷的2種基本特性，利用正壓電效應，壓電陶瓷可以將機械能轉變為電能；利用逆壓電效應，壓電陶瓷可以將電能轉變為機械能。壓電陶瓷的正壓電效應常被應用于各種類型的壓電傳感器，正壓電效應常被應用于各種類型的壓電執行器[4-5]。由于具有體積小、質量輕、精度高、響應快、能耗低、控制特性好、能量密度大、抗干擾能力強等諸多優勢，壓電陶瓷在精密執行器領域獲得了強烈的青睞[6-7]。然而，壓電陶瓷有一個先天性的不足：輸出位移小。為了解決這一問題，研究者提出多種類型的方法，其中步進式驅動原理是最為有效的解決方式。

將壓電陶瓷的微小位移逐步積累，最終獲得理想的輸出行程，這是步進式驅動原理的基本思想。由于擺脫了壓電陶瓷本身的微小位移限制，通過位移的數量疊加來達到需要，所以步進式執行器的輸出行程可以達到毫米級別，甚至是無限行程。步進式驅動原理主要包括尺蠖式驅動原理、粘滑式驅動原理和超聲式驅動原理等多種[8-12]。

本文研究一種基于粘滑驅動原理的旋轉式精密壓電執行器，利用定子的十字交叉型柔性鉸鏈可以將壓電陶瓷的微小位移有效轉換為轉子的微小角位移，利用鋸齒波信號電壓實現轉子的粘滑驅動，最終可以獲得執行器無限的角位移輸出。

1 結構設計

壓電執行器的整體模型如圖1所示，該壓電執行器主要由定子、轉子和2個壓電陶瓷構成，其整體尺寸為42 mm×30 mm×10 mm。如圖2(a)所示，定子包括十字交叉型柔性鉸鏈、轉子安裝孔和壓電陶瓷安裝槽等部分。其中，十字交叉型柔性鉸鏈結構可以將2個壓電陶瓷的微位移轉化為轉子的微角位移。2個預緊螺栓和墊片組合可以為2個壓電陶瓷提供預緊力，并可以通過旋轉2個預緊螺栓調節十字交叉型柔性鉸鏈的初始剛度。

轉子與定子的安裝原理如圖2(b)所示，轉子分別通過墊片、彈簧、墊片和螺栓被裝配與定子的中間安裝孔內，彈簧可以為轉子提供粘滯力，并且可以通過旋轉螺栓調節粘滯力的大小。轉子可以作為壓電執行器的輸出平臺，所使用的2個壓電陶瓷的尺寸為5 mm×5 mm×10 mm。

(a) 驅動單元結構

(b) 粘滑單元結構

2 工作原理

該壓電執行器工作時所需的電壓信號如圖3所示。在鋸齒波電壓的驅動下，壓電執行器的工作原理如圖4所示。

圖3 電壓信號

圖4 執行器工作原理

在t0時刻，壓電執行器處于初始狀態，2個壓電陶瓷所施加的電壓為0。如圖4(a)所示。

在t0～t1時段，鋸齒波電壓緩慢上升，在逆壓電效應的作用下，2個壓電陶瓷緩慢伸長并推動十字交叉型柔性鉸鏈旋轉一定角度。在摩擦力的作用下，轉子也旋轉一定角度θ。如圖4(b)所示。

在t1～t2時段，鋸齒波電壓迅速下降，2個壓電陶瓷迅速收縮到原來長度，十字交叉型柔性鉸鏈由于自身彈性恢復原形，迅速反方向旋轉到原來位置。在慣性的作用下，轉子保持原來位置。此時，執行器恢復到t0時刻的狀態，不同之處是轉子旋轉一個步長。如圖4(c)所示。

通過以上步驟，壓電執行器旋轉一個步長后又恢復初始狀態。不斷重復此過程，壓電執行器將輸出大行程的旋轉運動。通過對該執行器的結構分析易知，其旋轉運動行程可以達到無限。

3 運動分析

壓電陶瓷可以被看作是一彈簧阻尼質量系統。因此，在運動分析中2壓電陶瓷可以被簡化為一直線運動副。建立的壓電執行器的運動模型如圖5所示，假設壓電陶瓷在電壓信號下的輸出位移為Δl，轉子旋轉中心與壓電陶瓷中心線的距離為r，則轉子的單步旋轉角位移可以通過以下公式獲得：

2中心對稱分布的壓電陶瓷能夠保證十字交叉型柔性鉸鏈受力平衡，從而可以確保該壓電執行器較高的運動精度。

圖5 運動模型

4 性能試驗

為了測試執行器樣機的試驗性能，建立的試驗系統如圖6所示。該系統主要由函數信號發生器、電源放大器、執行器樣機、電容測微儀和計算機組成。鋸齒波信號由函數信號發生器產生，經由電源放大器放大后被施加到執行器樣機的2個壓電陶瓷，轉子的轉動角位移由電容測微儀的傳感器捕獲后傳達到計算機進行處理。

圖6 試驗系統

4.1 角位移輸出

該壓電執行器在5種驅動電壓下的十步角位移輸出曲線如圖6所示，該項測試中電壓信號的頻率為1 Hz。從圖7中可以看出，不同電壓下的壓電執行器都有穩定的角位移輸出，并且輸出曲線具有較高的重復性。隨著驅動電壓的下降，輸出曲線的斜率逐漸減小，也就是執行器的旋轉速度逐漸降低。當驅動頻率為1 Hz時，執行器最大運動速度為647.7 μrad/s

圖7 不同電壓下的角位移輸出

4.2 步進分辨率

由圖7可知，隨著驅動電壓的下降，壓電執行器的步長(單步角位移)逐漸減小。可以推斷，當驅動電壓下降到某值時，十字交叉型柔性鉸鏈的扭轉角度很小，以至于其復位速度太小而無法與轉子之間產生滑動，這樣，壓電執行器將無法正常工作，這個臨界電壓值即為執行器的最小驅動電壓，在最小驅動電壓下的最小單步角位移即為執行器的分辨率。

通過不斷減小壓電執行器的驅動電壓，測得其最小驅動電壓值為30 V，此時執行器的輸出曲線如圖8所示。在30 V的驅動電壓下，使壓電執行器運動20步，其產生的角位移為125.47 μrad。因此，該壓電執行器的分辨率：

圖8 步進分辨率測試

4.3 承載能力

在實際應用中，負載能力是執行器的一項重要指標。本文中，通過不斷向轉子施加砝碼的方式，對壓電執行器在驅動電壓150 V，驅動頻率1 Hz下的承載能力進行了研究。在不同的負載下，壓電執行器的輸出步角情況如圖9所示。通過試驗獲得，該壓電執行器的最大負載能力為27 N。

圖9 承載能力測試

5 結 語

本文研究了一種基于粘滑驅動原理的旋轉式精密壓電執行器。在鋸齒波電壓信號的驅動下，利用粘滑驅動原理，實現了執行器的大行程、高分辨率的角位移輸出。十字交叉型柔性鉸鏈能夠有效將2個壓電陶瓷的直線位移轉化為旋轉角位移。詳細介紹了該壓電執行器的結構組成與工作原理，并對執行器的運動進行了分析。建立了試驗系統對執行器樣機的工作性能進行了測試。

試驗結果表明，該壓電執行器運行穩定，輸出角位移具有高度的重復性。在1 Hz驅動頻率下最大運動速度為647.7 μrad/s，其位移分辨率為6.27 μrad，最大承載能力為27 N。該壓電執行器具有較好的工程應用前景。