陳培洪 王 寅 黃衛(wèi)清

南京航空航天大學(xué),南京,210016

一種圓筒形壓電直線電機(jī)的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

陳培洪 王 寅 黃衛(wèi)清

南京航空航天大學(xué),南京,210016

為研制具有高分辨率、寬頻響、大行程的壓電直線電機(jī),提出了一種基于疊層壓電陶瓷的圓筒形壓電直線電機(jī),并利用碟形彈簧對(duì)疊層壓電陶瓷進(jìn)行預(yù)緊。在分析電機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并制作了原理樣機(jī),對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果如下:在一定頻率范圍內(nèi)定子驅(qū)動(dòng)足輸出振幅最大值為2μm,電機(jī)最大無(wú)負(fù)載速度為3.7mm/s,最大輸出推力為4.3N。

壓電直線電機(jī);疊層壓電陶瓷;碟形彈簧;非共振;實(shí)驗(yàn)研究

0 引言

近年來(lái),壓電作動(dòng)器在精密定位領(lǐng)域得到了關(guān)注[1]。壓電作動(dòng)器以其高控制精度、快響應(yīng)速度、高能量密度、不受電磁干擾、功耗低、無(wú)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和斷電自鎖等特點(diǎn),在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物工程、集成電路制造、超精密加工、光學(xué)、測(cè)量技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[2-3]。

壓電直線電機(jī)是利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)激發(fā)彈性體的微幅振動(dòng)并通過(guò)摩擦將微幅振動(dòng)轉(zhuǎn)換成動(dòng)子宏觀的直線運(yùn)動(dòng),從而直接推動(dòng)負(fù)載。直線超聲電機(jī)定子一般工作在共振狀態(tài),利用共振放大驅(qū)動(dòng)足的振幅,以獲得更大的速度和位移輸出。共振狀態(tài)受溫度影響較大,定子共振頻率會(huì)隨溫度的改變而發(fā)生偏移,導(dǎo)致工作頻率漂移,影響電機(jī)的正常運(yùn)行。隨著壓電陶瓷制作工藝的發(fā)展,為克服壓電陶瓷輸出應(yīng)變小的阻礙,疊層壓電陶瓷應(yīng)運(yùn)而生[4]。疊層壓電陶瓷在較小的電壓下能有較大的位移輸出,無(wú)需共振便有足夠的振幅來(lái)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子,從而提高了作動(dòng)器的穩(wěn)定性。此外,疊層壓電陶瓷的輸出振幅與輸入電壓成正比,理論上可以達(dá)到無(wú)限小的分辨率,因此,利用疊層壓電陶瓷制作的作動(dòng)器可以獲得較高的精度和可控性。目前,國(guó)外某些研發(fā)機(jī)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用疊層壓電陶瓷研制出壓電作動(dòng)器,并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用[5-6]。

本文基于疊層壓電陶瓷研制了一種圓筒形壓電直線電機(jī),在分析電機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并制作樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。國(guó)內(nèi)黃衛(wèi)清等[7]、李艷林等[8]已做過(guò)這方面的研究,其中黃衛(wèi)清等[7]研制的電機(jī)結(jié)構(gòu)利用的是杠桿原理,驅(qū)動(dòng)足沿壓電陶瓷輸出方向位移減半,而本文是利用壓電陶瓷直接輸出位移,這與黃衛(wèi)清等[7]研制的電機(jī)結(jié)構(gòu)不同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電機(jī)可在相當(dāng)寬的頻帶內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

本文提出的電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1a所示為壓電作動(dòng)器結(jié)構(gòu),由驅(qū)動(dòng)軸、碟形彈簧、鋼球、陶瓷支撐、疊層壓電陶瓷、前端蓋、后端蓋及圓筒組成。圖1b所示為電機(jī)整體結(jié)構(gòu),由定子、夾持裝置、底板及動(dòng)子組成,其中定子由兩個(gè)軸線成90°的圓筒形壓電作動(dòng)器通過(guò)驅(qū)動(dòng)足連接而成,并通過(guò)夾持裝置固定在底板上。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

疊層壓電陶瓷對(duì)正弦信號(hào)的位移響應(yīng)曲線類似于正弦波形[9-10]。通過(guò)施加壓電陶瓷兩路相位差90°正弦激勵(lì)信號(hào),激發(fā)兩作動(dòng)器1和2的壓電陶瓷分別沿驅(qū)動(dòng)軸的軸線方向振動(dòng),這兩壓電陶瓷的位移響應(yīng)也為正弦波形,且空間上相差90°。設(shè)作動(dòng)器1、2的壓電陶瓷的激勵(lì)信號(hào)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)位移響應(yīng)函數(shù)分別為式中,A、B為對(duì)應(yīng)壓電陶瓷的位移響應(yīng)幅值(由于裝配誤差導(dǎo)致的壓電陶瓷的位移響應(yīng)幅值存在差異);α、β為對(duì)應(yīng)激勵(lì)響應(yīng)的相位角。

可見(jiàn)當(dāng)兩作動(dòng)器壓電陶瓷振動(dòng)位移響應(yīng)相位差為90°,即對(duì)這兩組壓電陶瓷施加相位差為90°的兩相驅(qū)動(dòng)電壓時(shí),這兩個(gè)位移響應(yīng)在驅(qū)動(dòng)足端部形成橢圓運(yùn)動(dòng),改變激勵(lì)信號(hào)的相位,可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)足端部質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖2所示。

圖2 一個(gè)周期內(nèi)驅(qū)動(dòng)足的運(yùn)動(dòng)軌跡

從驅(qū)動(dòng)足運(yùn)動(dòng)軌跡圖2可看出,正弦激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)形成的驅(qū)動(dòng)足軌跡為橢圓,驅(qū)動(dòng)足在整個(gè)周期內(nèi)連續(xù)運(yùn)動(dòng)。從(1)到(2)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,驅(qū)動(dòng)足推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng),從(3)到(4)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,驅(qū)動(dòng)足與轉(zhuǎn)子脫離接觸,整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由彈簧提供定子與動(dòng)子之間的預(yù)壓力。

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 預(yù)緊碟簧的選擇

壓電陶瓷采用江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的QD-YD系列疊層壓電陶瓷,其規(guī)格尺寸為6.5mm×6.5mm×5mm,根據(jù)其性能要求,施加預(yù)緊力在300～400N范圍,查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》中關(guān)于碟簧的選型,綜合考慮碟簧的外廓尺寸及變形量要求,選用參數(shù)為D=16mm、d=8.2mm 、t=0.4mm 、h0=0.5mm 、H=0.9mm 的碟簧作為預(yù)緊碟簧[11]。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法,采用兩片碟簧對(duì)合組合方式,對(duì)所選碟簧進(jìn)行剛度測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所選碟簧滿足在變形量為0～1mm范圍內(nèi)提供0～400N彈性力的要求,所用疊層壓電陶瓷預(yù)緊力符合要求。測(cè)得的碟簧加載與其高度變化曲線及加載裝置如圖3所示。

圖3 碟形彈簧加載實(shí)驗(yàn)

從圖3a中可看出,碟簧在受到300～400N預(yù)緊力時(shí)其變形量呈線性變化,而碟簧本身是非線性彈性元件(從剛度曲線圖中可看出)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn),在這曲線段內(nèi)碟簧加載時(shí)不會(huì)出現(xiàn)碟簧變形相反的現(xiàn)象,即不會(huì)出現(xiàn)碟簧提供彈性力不足的現(xiàn)象。采用此參數(shù)的兩片碟簧對(duì)合組合方式滿足碟簧實(shí)施微量調(diào)節(jié)來(lái)施加疊層壓電陶瓷預(yù)緊力的要求,故選取此碟形彈簧作為預(yù)緊彈性元件。

2.1.2 預(yù)緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)表明,根據(jù)疊層壓電陶瓷的輸出特性,疊層壓電陶瓷激發(fā)的振幅大小與激勵(lì)電壓和驅(qū)動(dòng)頻率有關(guān),而在一定的壓力作用下,疊層壓電陶瓷輸出位移增加,遲滯度減小[12]。因此壓電作動(dòng)器需要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)給壓電陶瓷施加一定的預(yù)緊力,而為了利用先前通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法方便測(cè)量壓電陶瓷的預(yù)緊力,同時(shí)又能夠通過(guò)設(shè)計(jì)一適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)找出壓電陶瓷合適的預(yù)緊力,將陶瓷預(yù)緊部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成預(yù)緊力可調(diào)的結(jié)構(gòu)。預(yù)緊力結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖4。

由上述碟簧剛度實(shí)驗(yàn)分析可知,采用兩片碟簧對(duì)合組合方式施加壓電陶瓷預(yù)緊力,其振動(dòng)位移由陶瓷支撐經(jīng)鋼球傳遞至驅(qū)動(dòng)軸輸出。壓電陶瓷的位移輸出數(shù)量級(jí)為微米級(jí),其陶瓷預(yù)緊部分的碟簧變形需滿足:

圖4 預(yù)緊力結(jié)構(gòu)圖

式中,F為碟簧產(chǎn)生的彈性力,即施加到壓電陶瓷上的預(yù)緊力;Kmax為碟簧變形最大剛度。

如F/K max小于1μm,將影響壓電陶瓷的位移輸出。

驅(qū)動(dòng)軸與前端蓋之間為間隙配合,在電機(jī)工作時(shí)允許驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)。采用鋼球連接方式,一是保證壓電陶瓷的位移輸出沿驅(qū)動(dòng)軸線方向;二是避免電機(jī)工作時(shí)因驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)影響陶瓷的位移輸出,進(jìn)而影響電機(jī)的輸出性能;三是避免陶瓷承受切向作用力。通過(guò)調(diào)節(jié)前端蓋進(jìn)給量使碟簧產(chǎn)生變形,控制其調(diào)節(jié)量以提供合適的預(yù)緊力。

2.2 夾持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電機(jī)夾持裝置不但承擔(dān)定子與動(dòng)子的連接,而且具有加載、調(diào)節(jié)預(yù)壓力和限制定子自由度的作用,理想的夾持結(jié)構(gòu)應(yīng)限制定子在空間上的5個(gè)自由度,僅保留一個(gè)自由度并在這個(gè)自由度方向上采用合適剛度的彈性支撐。而因機(jī)構(gòu)裝配關(guān)系及零件加工誤差影響,實(shí)際夾持結(jié)構(gòu)難以做到只保留定子一個(gè)自由度要求,即僅保留y方向平動(dòng)自由度,其他所有自由度都受限制,圖5所示為實(shí)際夾持結(jié)構(gòu)模型。

夾持裝置對(duì)定子不完全約束的3個(gè)自由度分別對(duì)應(yīng)3個(gè)剛度k1、k2、k3,而這3個(gè)量的大小及相對(duì)關(guān)系將影響整個(gè)電機(jī)的性能。經(jīng)理論分析,k1、k2、k3需滿足以下條件:

圖5 實(shí)際夾持結(jié)構(gòu)模型圖

由上述對(duì)夾持結(jié)構(gòu)要求的分析,本文設(shè)計(jì)的夾持結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 實(shí)際夾持結(jié)構(gòu)圖

采用3個(gè)圓柱滾子作為支撐點(diǎn),將電機(jī)固定在夾持裝置上并安裝在底板上,整個(gè)電機(jī)及夾持裝置只能沿y方向移動(dòng)。通過(guò)使預(yù)壓力彈簧變形產(chǎn)生彈性力提供電機(jī)定子與動(dòng)子之間所需預(yù)壓力,預(yù)壓力大小可由力傳感器測(cè)量,調(diào)節(jié)其加載大小,使電機(jī)工作在穩(wěn)定狀態(tài)。

3 電機(jī)實(shí)驗(yàn)研究

3.1 電機(jī)的輸出特性

根據(jù)上述設(shè)計(jì)制作了電機(jī)樣機(jī),其壓電作動(dòng)器實(shí)物圖和電機(jī)整體實(shí)物圖見(jiàn)圖7。

壓電作動(dòng)器結(jié)構(gòu)尺寸總長(zhǎng)為54mm,直徑22mm,除前端蓋采用黃銅外,其他都為硬鋁。電機(jī)驅(qū)動(dòng)足采用45鋼,所用動(dòng)子為鋼性材料導(dǎo)軌,其夾持裝置及底板均采用硬鋁。

圖7 電機(jī)實(shí)物圖

3.1.1 定子驅(qū)動(dòng)足輸出振幅與頻率的關(guān)系

壓電陶瓷輸出位移即為作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)沿軸線方向的輸出振幅,與驅(qū)動(dòng)電壓成正比關(guān)系。通過(guò)使用Po ly tec公司的PSV-300F-B型高頻掃描激光測(cè)振系統(tǒng),測(cè)量定子在不同電壓下驅(qū)動(dòng)足振幅隨頻率的變化。給壓電陶瓷分別施加60V、90V、110V,正向偏置分別為30V、45V、55V 的正弦激勵(lì)信號(hào),測(cè)量驅(qū)動(dòng)足端部與動(dòng)子接觸點(diǎn)的振幅響應(yīng),測(cè)量結(jié)果如圖8所示。

圖8 驅(qū)動(dòng)足振幅-頻率曲線

由圖8可知,隨驅(qū)動(dòng)電壓的增大,驅(qū)動(dòng)足振幅增大,當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率小于1.1kHz,電壓為110V時(shí),驅(qū)動(dòng)足端部振幅在一定頻率范圍內(nèi)保持不變,且最大幅值為2μm。

3.1.2 電機(jī)速度與頻率的關(guān)系

電機(jī)輸出速度取決于驅(qū)動(dòng)足的振動(dòng)速度,而振動(dòng)速度由振幅和頻率共同決定。圖9所示為電機(jī)運(yùn)行速度隨頻率變化的曲線。從圖9中可以看出,電機(jī)速度隨頻率的增大而增大,但當(dāng)頻率大于1.1kH z時(shí),速度又開(kāi)始減小。當(dāng)電壓為 100V,驅(qū)動(dòng)頻率為1.1kH z時(shí),電機(jī)最大無(wú)負(fù)載速度為3.7mm/s。

圖9 電機(jī)速度-頻率曲線

3.1.3 電機(jī)機(jī)械特性曲線

圖10所示為電機(jī)的機(jī)械特性曲線。從圖10中可以看出,電機(jī)速度隨輸出推力的增大而減小,電機(jī)最大輸出推力為 4.3N,此時(shí)驅(qū)動(dòng)頻率為1.05kHz,驅(qū)動(dòng)電壓為100V。

圖10 電機(jī)機(jī)械特性曲線

3.2 討論與分析

由于電機(jī)工作在非共振狀態(tài),壓電陶瓷的振幅決定了驅(qū)動(dòng)足端部的振幅,因此可以認(rèn)為驅(qū)動(dòng)足端部振幅應(yīng)與壓電陶瓷類似,在一定頻率范圍內(nèi)保持不變(圖8)。文獻(xiàn)[7]中電機(jī)驅(qū)動(dòng)足結(jié)構(gòu)是利用杠桿將壓電陶瓷輸出位移傳輸?shù)津?qū)動(dòng)足,其振幅實(shí)際減小了一半,與其相比,本文利用壓電陶瓷位移直接輸出到驅(qū)動(dòng)足端部,提高了驅(qū)動(dòng)足在垂直于動(dòng)子方向的橫向輸出振幅。而驅(qū)動(dòng)足端部沿作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)方向的振幅影響電機(jī)的輸出力,即輸出振幅大,驅(qū)動(dòng)足與動(dòng)子接觸時(shí)間長(zhǎng),接觸面增大,致使摩擦驅(qū)動(dòng)所需的正壓力增大,即增大了摩擦驅(qū)動(dòng)力,使電機(jī)輸出力增大。因此,提高驅(qū)動(dòng)足端部振幅是增大電機(jī)輸出力的關(guān)鍵,而疊層壓電陶瓷本身的特性決定了其輸出振幅的大小,主要與以下兩點(diǎn)相關(guān):

(1)提高壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電壓。針對(duì)疊層壓電陶瓷要求的低壓驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)電壓不能超過(guò)110V,否則陶瓷發(fā)熱會(huì)嚴(yán)重影響性能輸出。

(2)提供壓電陶瓷合適的預(yù)緊結(jié)構(gòu)剛度。在電壓一定的條件下,驅(qū)動(dòng)足的振幅與電機(jī)自身結(jié)構(gòu)剛度有關(guān),即與施加壓電陶瓷的預(yù)緊力結(jié)構(gòu)剛度相關(guān)。分析并找出合適的預(yù)緊結(jié)構(gòu)剛度,是提高驅(qū)動(dòng)足輸出振幅的前提。

由上述分析可知,電機(jī)運(yùn)行速度與驅(qū)動(dòng)足端部沿作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)方向振動(dòng)速度成正比,所以當(dāng)驅(qū)動(dòng)足在這一方向的振幅不變時(shí),可以認(rèn)為電機(jī)的輸出速度與驅(qū)動(dòng)足端部的振動(dòng)頻率成正比,即與激勵(lì)信號(hào)的頻率成正比。從圖9可以看出,電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行情況下動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)速度近似與驅(qū)動(dòng)頻率成線性關(guān)系,由此可知,非共振式電機(jī)可在一定頻率范圍內(nèi)任意頻率點(diǎn)工作且工作頻率可調(diào),這與共振式電機(jī)只能在定子共振頻率附近工作有很大的不同。而當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率大于1.1kH z時(shí),電機(jī)速度減小,分析原因是由于疊層壓電陶瓷固有電容很大,給驅(qū)動(dòng)器造成很大負(fù)擔(dān),驅(qū)動(dòng)器發(fā)熱嚴(yán)重,而且由于電機(jī)共振頻率低,容易發(fā)生共振,影響電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。與文獻(xiàn)[7]中電機(jī)所使用的壓電陶瓷相同,當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率大于2kHz時(shí),因超出了驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載能力,所以電機(jī)將無(wú)法正常運(yùn)行。

根據(jù)電機(jī)的機(jī)械輸出特性曲線分析可知,由于電機(jī)的輸出推力除了與驅(qū)動(dòng)足端部振幅有關(guān)外,還與預(yù)壓力和摩擦因數(shù)有關(guān),而摩擦因數(shù)取決于驅(qū)動(dòng)足和轉(zhuǎn)子的材料,這樣,在激勵(lì)電壓和頻率一定的情況下,施加于驅(qū)動(dòng)足與轉(zhuǎn)子間預(yù)壓力的大小決定了輸出推力的大小。從圖10可以看出,隨著電機(jī)輸出推力的增大,速度呈現(xiàn)出由快到慢的變化趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文使用疊層壓電陶瓷設(shè)計(jì)并制作了一種圓筒形壓電直線電機(jī),分析了電機(jī)的工作原理,對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝配方便等特點(diǎn)。在工作頻率為1.1kH z時(shí),電機(jī)的最大輸出速度為3.7mm/s,最大輸出推力為4.3N。

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Study on Design and Tests of a Piezoelectric Linear Motor Using Columnar Actuator

Chen Peihong Wang Yin Huang Weiqing
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016

In order to develop piezoelectric linear m otor w ith high resolution,wide frequency response and long stroke,a cy linder type piezoelectric linear motor using piezoelectric stacks which were preloaded by disc sp rings was p roposed.The operating p rinciples o f the m otor were presented,them otor structurewas designed,a prototype w asmade and the experimental study was proceeded.The experimental results show thatw ithin a certain range of frequency the vibration amp litude of the stator driving foot is 2μm,the m aximum no-load velocity of the motor is 3.7mm/s,and the maxim um thrust force of themotor is 4.3N.

piezoelectric linear motor;piezoelectric stack;disc sp ring;non-resonant vibration;experimental study

TM 356

1004—132X(2011)12—1484—05

2010—08—17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目(50735002)

(編輯 何成根)

陳培洪,男,1985年生。南京航空航天大學(xué)精密驅(qū)動(dòng)研究所碩士研究生。研究方向?yàn)樾滦头枪舱袷綁弘娭本€電機(jī)。王 寅,男,1986年生。南京航空航天大學(xué)精密驅(qū)動(dòng)研究所博士研究生。黃衛(wèi)清,男,1965年生。南京航空航天大學(xué)精密驅(qū)動(dòng)研究所教授、博士研究生導(dǎo)師。