基于懸臂梁結構的慣性沖擊直線壓電馬達

賀提喜, 楊振中, 程子陽,湯玉竹, 郝 賽

(1. 華北水利水電大學 機械學院，河南 鄭州 450045；2. 合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引言

大天區面積移目標光纖光譜天文望遠鏡(LAMOST)[1]是我國自主研發的大天區多目標天文望遠鏡。它需要一系列的光纖定位器將宇宙中的光線同時投射到可見光譜儀上以進行宇宙學目標的紅移觀測。針對LAMOST觀測的需求，研發了一種基于懸臂梁結構的慣性沖擊直線壓電馬達用于光纖掃描定位。

壓電馬達是一種利用逆壓電效應進行機電能量轉換的一種驅動機構，因其具有微位移、低速大扭矩、響應快等優點，廣泛應用于生物醫療器械、精密定位系統、電子掃描技術等領域[2-5]。壓電馬達結構主要可分為慣性沖擊馬達[6]、超聲馬達[7]和尺蠖馬達[8]等。

慣性沖擊壓電馬達利用慣性沖擊來實現微位移，也被稱作“粘滑驅動器[9]”。與其他類型的壓電馬達相比，慣性沖擊式壓電馬達具有結構緊湊，分辨率高，操作簡單及步距精確[10]等優點，十分適合用作LAMOST光纖掃描系統的光纖定位器[11]。

1 結構和原理

1.1 馬達整體結構

圖1為馬達整體結構的3D圖。2個壓電疊堆通過環氧樹脂膠粘接于基座與懸臂梁之間，作為激勵元件。2根光軸導軌固定于懸臂梁上方圓孔中。預緊螺母、彈簧片及預緊螺栓形成一個預緊結構，可調節移動滑塊與光軸導軌間的預緊力。

圖1 壓電馬達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，在基座底部設有凸臺用于連接工作平面，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，光軸導軌易在y與z方向上產生偏移，會影響移動滑塊運動的平穩性，因此在類矩形塊x方向只開一個圓形限位孔，另一邊采用矩形槽，與兩根光軸導軌配合，以解決上述誤差問題。定位桿實現兩個類矩形塊z向的配合。

馬達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 壓電馬達主要部件結構參數

1.2 馬達工作原理

圖2為馬達的工作原理圖。馬達主要通過懸臂梁的左、右擺動實現移動滑塊在光軸導軌上的步進位移。

圖2 壓電馬達的工作過程

由圖2(a)可知，壓電馬達1個工作周期主要由移動滑塊隨光軸導軌擺動階段①和移動滑塊與光軸導軌產生相對位移階段②組成。

1) 階段①。馬達的驅動信號為鋸齒波信號，當驅動電壓緩慢上升時，壓電疊堆緩慢伸長，懸臂梁向左擺動，從而帶動光軸導軌向左擺動。在此過程中，由于移動滑塊與光軸導軌間的靜摩擦力作用，移動滑塊相對于光軸導軌靜止。但由于光軸導軌向左擺動，實際上移動滑塊在空間上向左移動一段距離。

2) 階段②。當驅動電壓陡然下降，壓電疊堆迅速收縮，懸臂梁從左向右快速擺動帶動光軸導軌向右快速擺動。在這個過程中，由于慣性作用，慣性力大于摩擦力，移動滑塊將與光軸導軌產生相對滑動，移動滑塊只向右后退很小距離。

經過階段①和②，移動滑塊產生一個向左的微小步距。連續重復上述兩個階段，馬達實現向左的連續運動。滑塊和振子的位移分別如圖2(b)所示。同理，將鋸齒波驅動電壓反向，馬達可實現反向運動。

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

1.3 有限元仿真

為了避免激勵頻率與馬達的諧振頻率一致引起共振，利用有限元仿真軟件COMSOL5.2對馬達振動座及部分進行了仿真分析，如圖3所示。

圖3 一階彎曲振動模態仿真

根據仿真結果，實驗時將避開共振頻率，從低頻至高頻開展實驗。

2 實驗測試與分析

2.1 搭建實驗平臺

圖4為壓電馬達的實驗裝置圖。采用臺式夾持鉗將壓電馬達固定設置于氣動平臺上。通過信號發生器(Rigol DG 1022)輸出驅動鋸齒波信號，經由電壓放大器(Apex PA94)放大后施加給壓電疊堆，用以激勵壓電馬達運動。通過數字示波器(Rigol DS 5022M)實時監測驅動信號的變化。將激光位移傳感器(OPTO NCDT 2300)正對馬達運動方向布置，以此來測量馬達的輸出位移特性，相關數據保存在計算機中。

圖4 壓電馬達實驗裝置圖

2.2 馬達步距特性

當馬達樣機的預緊力為0.2 N，頻率為600 Hz，驅動信號為鋸齒波偏置一半，電壓峰-峰值分別為60 V(30 V偏置)、30 V及15 V時，通過激光位移傳感器得到了馬達樣機的位移響應曲線，如圖5所示。由圖可知，在電壓峰-峰值15 V時，壓電馬達的步距約為0.8 μm。該馬達在鋸齒波信號驅動下，步距均勻，運動速度穩定。

圖5 位移響應曲線圖

2.3 無負載特性

驅動信號為鋸齒波偏置一半，驅動電壓峰-峰值為60 V時，測試了在不同預緊力條件下馬達運動速度與輸入頻率間的關系，如圖6所示。由圖可知，在600 Hz驅動頻率下，當馬達預緊力為0時，馬達無負載速度為1.713 mm/s；當馬達預緊力為0.2 N時，馬達無負載速度為1.83 mm/s；當馬達預緊力為0.4 N時，馬達無負載速度為1.375 mm/s。

圖6 工作頻率與滑塊速度關系圖

根據實驗可知，在馬達驅動電壓一定的條件下，馬達的輸出速度與預緊力及工作頻率有關。預緊力與驅動電壓一定時，馬達樣機的運動速度與工作頻率呈線性關系，工作頻率越高，馬達運動速度越大。

圖7為驅動信號頻率600 Hz時馬達在不同預緊力下運動速度與驅動電壓間的關系。由圖可看出，在預緊力與工作頻率條件相同時，馬達運動速度隨驅動電壓增大而增大，這是因為隨著電壓的不斷增加，壓電疊堆發生形變幅度增大，從而使懸臂梁的振幅變大，壓電馬達的步距變大，宏觀速度增大。

圖7 驅動電壓與滑塊速度關系圖

在工作頻率為600 Hz，驅動電壓峰-峰值為60 V時，馬達運動速度與預緊力間的關系如圖8所示。由圖可看出，馬達運動速度隨著預緊力的增大先增大后減小，在預緊力為0.2 N時馬達運動速度可達1.83 mm/s。

圖8 預緊力與滑塊速度關系圖

2.4 馬達負載特性

圖9為樣機在不同預緊力下的負載特性。由圖可看出，在驅動電壓峰-峰值為60 V，工作頻率為600 Hz時，馬達樣機的運動速度隨著負載的增加而不斷降低，負載能力隨預緊力的增大而增強。當預緊力為0時，馬達樣機的最大負載為0.08 N；當預緊力為0.2 N時，馬達樣機的最大負載為0.12 N；當預緊力為0.4 N時，馬達樣機的最大負載為0.18 N。

圖9 樣機在不同預緊力下的負載特性

3 結束語

本文設計了一種基于懸臂梁結構的慣性沖擊直線壓電馬達。驗證了其工作原理，制造了實驗樣機，測試了該類馬達樣機的性能。

通過實驗測試可知，在預緊力為0.2 N時，驅動信號為鋸齒波偏置一半，電壓峰-峰值為60 V(600 Hz)時，馬達無負載速度為1.83 mm/s，驅動信號峰-峰值15 V時，馬達的位移分辨率為0.8 μm；當驅動信號峰-峰值為60 V(600 Hz)，預緊力為0.4 N時，馬達最大負載為0.18 N。馬達的行程為40.5 mm，等于光軸導軌長度(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軌自身長度。

本文基于懸臂梁的慣性沖擊壓電馬達結構簡單，易裝配，位移分辨率高，運行速度均勻平穩，結構設計能使行程充分發揮，負載能力適合，基本符合LAMOST的光纖定位器掃描需求。通過進一步優化，馬達的綜合性能必將得到進一步提高，更適用于產品需求。此外，本研究對拓展壓電馬達的研究思路也具有重要意義。