朱鵬舉， 時(shí)運(yùn)來， 趙淳生

(南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京，210016)

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一種新型大推力直線壓電作動(dòng)器*

朱鵬舉， 時(shí)運(yùn)來， 趙淳生

(南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京，210016)

設(shè)計(jì)了一種新型大推力直線壓電作動(dòng)器，采用螺旋箝位的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電疊堆微小位移的累積輸出，實(shí)現(xiàn)了大推力和長(zhǎng)行程。對(duì)該種作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)機(jī)理和作動(dòng)器設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析,包括力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)、上下柔性聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)計(jì)、螺母和絲杠之間相關(guān)機(jī)械參數(shù)的設(shè)計(jì)以及對(duì)所選壓電疊堆進(jìn)行性能測(cè)試并選擇其最佳工作頻段。原理樣機(jī)長(zhǎng)為140 mm,最大直徑為45 mm,重量為0.7 kg，行程為40 mm。在力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速為300 r/min，壓電堆驅(qū)動(dòng)頻率為100 Hz時(shí)，作動(dòng)器的最大輸出力可達(dá)130 N。

壓電作動(dòng)器； 絲杠； 尺蠖型； 大推力

引言

由于壓電材料具有優(yōu)越的動(dòng)態(tài)性能、高能量密度和增量式定位能力，所以目前世界多國(guó)重點(diǎn)研究使用壓電材料的作動(dòng)器(壓電作動(dòng)器)[1]。和傳統(tǒng)的電磁作動(dòng)器相比，壓電作動(dòng)器具有不需要繞組和磁路、不依靠電磁耦合來獲得動(dòng)力、定位精度高、輸出力大和響應(yīng)速度快等[2]優(yōu)點(diǎn)。壓電作動(dòng)器的種類繁多，對(duì)于應(yīng)用于輸出直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的壓電作動(dòng)器，可以分為：壓電超聲電機(jī)、壓電微位移作動(dòng)器、壓電慣性作動(dòng)器和壓電尺蠖作動(dòng)器[3]。目前，壓電超聲電機(jī)發(fā)展較為成熟，已成功運(yùn)用到光學(xué)機(jī)器、汽車、航空航天和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域中[4]。壓電超聲電機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快、噪聲極低、斷電自鎖、不受磁場(chǎng)干擾、運(yùn)動(dòng)精確等優(yōu)點(diǎn)[5]及耐低溫、可在真空中正常運(yùn)行等特點(diǎn)，但壓電超聲電機(jī)由于其原理的限制導(dǎo)致輸出力較小。壓電微位移作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單緊湊，輸出力大，定位精度高，動(dòng)態(tài)特性好，但工作行程較小[6]。壓電慣性作動(dòng)器具有高分辨率、大行程的特點(diǎn)，但沒有箝位機(jī)構(gòu)導(dǎo)致輸出力和輸出剛度較小，且定位精度低[7]。

尺蠖作動(dòng)器是仿照自然界的尺蠖運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)開發(fā)的,利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)推動(dòng)箝位機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)交替作用,使直線動(dòng)子在直接箝位摩擦力作用下,輸出連續(xù)的精密位移[8]。尺蠖驅(qū)動(dòng)的箝位方式分為3種：主動(dòng)箝位型、被動(dòng)箝位型和螺旋箝位型[9]。壓電尺蠖型作動(dòng)器可以克服上述3種作動(dòng)器的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高分辨率、大行程、大推力和大功率密度的輸出[10]。另外，由于其原理簡(jiǎn)單，可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)出不同結(jié)構(gòu)的壓電作動(dòng)器。筆者利用螺旋箝位的方式，設(shè)計(jì)了一種新型大推力直線壓電作動(dòng)器，對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)理和設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了分析，制作出樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 新型大推力壓電作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和工作原理

本研究開發(fā)的作動(dòng)器箝位機(jī)構(gòu)屬于螺旋箝位型，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該作動(dòng)器主要由絲杠、承載螺母、力矩電機(jī)、柔性聯(lián)軸器、驅(qū)動(dòng)螺母、壓電疊堆、滾珠花鍵和外殼組成。其中：壓電疊堆為驅(qū)動(dòng)元件；絲杠為輸出元件；承載螺母、力矩電機(jī)和驅(qū)動(dòng)螺母通過柔性聯(lián)軸器依次連接在一起，組成箝位機(jī)構(gòu)。絲杠位于作動(dòng)器的中心，穿過壓電疊堆、驅(qū)動(dòng)螺母、聯(lián)軸器、力矩電機(jī)和承載螺母，并與兩螺母的內(nèi)螺紋相配合。滾珠花鍵用于限制絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，保證絲杠只能沿軸向運(yùn)動(dòng)。在初始狀態(tài)，承載螺母鎖緊在承載面上，壓電疊堆上端蓋緊壓在驅(qū)動(dòng)螺母下端面上。

圖1 作動(dòng)器基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the actuator

該作動(dòng)器的工作原理如圖2～5所示。在圖3和圖5的承載螺母和驅(qū)動(dòng)螺母運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖中，縱坐標(biāo)“1”代表螺母處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，“-1”代表處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，“0”代表處于不轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。在圖3和圖5的壓電疊堆狀態(tài)圖中，上升部分表示壓電疊堆在伸長(zhǎng)，下降部分表示壓電疊堆在收縮。該作動(dòng)器正向運(yùn)動(dòng)原理如圖2，3所示，具體運(yùn)動(dòng)過程如下。

在t=0～T/4(狀態(tài)a～狀態(tài)b)時(shí)，同時(shí)施加壓電疊堆激勵(lì)信號(hào)和力矩電機(jī)起動(dòng)信號(hào)后，壓電疊堆開始伸長(zhǎng)，將驅(qū)動(dòng)螺母向上頂，驅(qū)動(dòng)螺母帶動(dòng)絲杠向上運(yùn)動(dòng)。此過程中，絲杠帶動(dòng)承載螺母向上運(yùn)動(dòng)，因此承載螺母不再承受負(fù)載壓力，開始在力矩電機(jī)的帶動(dòng)下正向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向著承載面方向的軸向位移。因驅(qū)動(dòng)螺母和壓電疊堆之間的壓力很大，所產(chǎn)生的摩擦力阻止了驅(qū)動(dòng)螺母跟隨力矩電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

在t=T/4～T/2(狀態(tài)b～狀態(tài)c)時(shí)，壓電疊堆繼續(xù)伸長(zhǎng)到最大伸長(zhǎng)位置處，繼續(xù)帶動(dòng)絲杠向上運(yùn)動(dòng)。此過程中，承載螺母在力矩電機(jī)的帶動(dòng)下繼續(xù)正向旋轉(zhuǎn)，直到旋回承載面，驅(qū)動(dòng)螺母同樣因其和壓電疊堆之間的摩擦力而不跟隨力矩電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

在t=T/2～3T/4(狀態(tài)c～狀態(tài)d)時(shí)，壓電疊堆開始收縮，此時(shí)承載螺母也已旋回到承載面上，由于絲杠承受的負(fù)載，使得承載螺母壓緊在承載面上，不再跟隨力矩電機(jī)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也鎖緊絲杠使其不跟隨壓電疊堆向下運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)螺母因壓電疊堆的快速收縮而與其分離，由于柔性聯(lián)軸器的作用，驅(qū)動(dòng)螺母在力矩電機(jī)的帶動(dòng)下快速正向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向著壓電疊堆上端面方向的軸向位移。

在t=3T/4～T(狀態(tài)d～狀態(tài)e)時(shí)，壓電疊堆繼續(xù)收縮，回到初始位置。此過程中，驅(qū)動(dòng)螺母在力矩電機(jī)的帶動(dòng)下繼續(xù)正向旋轉(zhuǎn)，旋回到壓電疊堆上端面上，承載螺母仍因負(fù)載作用，壓緊在承載面上，繼續(xù)鎖緊絲杠使其不產(chǎn)生向下的運(yùn)動(dòng)。由此，從狀態(tài)a到狀態(tài)e,作動(dòng)器正向運(yùn)動(dòng)了一步。如此往復(fù)，便實(shí)現(xiàn)了正向的持續(xù)動(dòng)力輸出。

圖2 正向運(yùn)動(dòng)原理示意圖Fig.2 Operating principle of the actuator in forward

圖3 正向運(yùn)動(dòng)時(shí)序圖Fig.3 Sequence chart of the actuator in forward

該作動(dòng)器的回程運(yùn)動(dòng)原理如圖4，5所示，具體的運(yùn)動(dòng)過程如下。

在t=0～t1(狀態(tài)a～狀態(tài)b)時(shí)，在初始狀態(tài)a,壓電疊堆處于自然狀態(tài)，承載螺母鎖緊在承載面上，限制絲杠向下運(yùn)動(dòng)。同時(shí)施加壓電疊堆激勵(lì)信號(hào)和力矩電機(jī)起動(dòng)信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)螺母跟隨力矩電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向上的軸向運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度后，同驅(qū)動(dòng)螺母相連的柔性聯(lián)軸器達(dá)到最大扭矩，驅(qū)動(dòng)螺母停止旋轉(zhuǎn)。承載螺母由于負(fù)載的作用，壓緊在承載面上，不隨力矩電機(jī)旋轉(zhuǎn)。壓電疊堆在0～T/2時(shí)間內(nèi)伸長(zhǎng)，在t1時(shí)刻，壓電疊堆上端面頂住驅(qū)動(dòng)螺母下端面。此過程中，由于驅(qū)動(dòng)螺母的反向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了沿著絲桿向上的軸向位移，使得壓電疊堆在0～t1階段內(nèi)伸長(zhǎng)的位移沒有傳遞到絲杠上。

圖4 回程運(yùn)動(dòng)原理示意圖Fig.4 Operating principle of the actuator in backward

圖5 回程運(yùn)動(dòng)時(shí)序圖Fig.5 Sequence chart of the actuator in backward

在t=t1～T/2(狀態(tài)b～狀態(tài)c)時(shí)，在t1時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)螺母下端面和壓電疊堆上端面壓緊在一起。此后，壓電疊堆帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)螺母向上運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)螺母又帶動(dòng)絲杠向上運(yùn)動(dòng)。此過程中，絲杠帶動(dòng)承載螺母脫離承載面，承載螺母開始在力矩電機(jī)的帶動(dòng)下反向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生遠(yuǎn)離承載面的軸向位移。

在t=T/2～3T/4(狀態(tài)c～狀態(tài)d)時(shí)，壓電疊堆開始收縮，在負(fù)載作用下，絲杠隨壓電疊堆的收縮向下運(yùn)動(dòng)，承載螺母繼續(xù)反向旋轉(zhuǎn)的同時(shí)跟隨絲杠向下運(yùn)動(dòng)，直至和承載螺母相連的柔性聯(lián)軸器達(dá)到最大扭矩。由于負(fù)載的作用，驅(qū)動(dòng)螺母和壓電疊堆壓緊在一起，不隨力矩電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

在t=3T/4～t2(狀態(tài)d～狀態(tài)e)時(shí)，承載螺母停止旋轉(zhuǎn)后跟隨絲杠向下運(yùn)動(dòng)，回落到承載面上。此過程中，驅(qū)動(dòng)螺母因負(fù)載的作用，和壓電疊堆上端面壓緊在一起，仍不隨力矩電機(jī)旋轉(zhuǎn)，直至承載螺母落回到承載面鎖緊絲杠承受負(fù)載。由此，由于絲杠正向的位移小于反向的位移，作動(dòng)器反向運(yùn)動(dòng)一步。如此往復(fù)，作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了回程運(yùn)動(dòng)。

2 作動(dòng)器關(guān)鍵技術(shù)問題分析及設(shè)計(jì)

2.1 力矩電機(jī)的選擇和轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)

2.1.1 力矩電機(jī)的選擇

力矩電機(jī)是作動(dòng)器箝位機(jī)構(gòu)的重要元件之一，用于通過柔性聯(lián)軸器向螺母?jìng)鬟f扭矩，使得驅(qū)動(dòng)螺母和承載螺母能夠在絲杠上交替旋轉(zhuǎn)，達(dá)到箝位的目的。在選擇力矩電機(jī)時(shí)，必須保證力矩足夠大，能夠快速的將螺母旋到指定位置。這里選擇的是國(guó)產(chǎn)的NH45LYX系列直流力矩電機(jī)，其力矩為0.44 N·m，驅(qū)動(dòng)電壓為27～45 V，額定功率為151.2 W，最大外徑為45 mm,內(nèi)徑為15 mm。對(duì)應(yīng)的編碼器選用的是增量式光柵編碼器，用于力矩電機(jī)的速度控制。

2.1.2 力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)

由該作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)原理可知，整個(gè)作動(dòng)器的性能和壓電疊堆、力矩電機(jī)、驅(qū)動(dòng)螺母和承載螺母以及絲杠之間的匹配息息相關(guān)。在正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須考慮到壓電疊堆的振動(dòng)頻率和力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速匹配問題。由圖2中T/2-3T/4(狀態(tài)c-狀態(tài)d)的運(yùn)動(dòng)階段可知，壓電疊堆在開始收縮時(shí)，必須保證承載螺母已旋回承載面鎖緊絲杠來支撐負(fù)載，以防止絲杠在負(fù)載作用下隨壓電疊堆的收縮往回運(yùn)動(dòng)。由此，必須對(duì)作動(dòng)器作動(dòng)過程中各部件之間的匹配關(guān)系進(jìn)行分析。設(shè)力矩作動(dòng)器初始轉(zhuǎn)速為n1，壓電疊堆的作動(dòng)頻率為f，振幅為Δδ，壓電疊堆伸長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生的推力為Fs，作動(dòng)器外加負(fù)載為P，絲杠螺距為b，絲杠和兩個(gè)螺母的總質(zhì)量為Μ。在初始狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)螺母下端面和壓電疊堆的上端面壓緊在一起，故不需考慮螺母和絲杠之間的間隙。

正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)為絲杠在被正向推動(dòng)時(shí)的加速度，應(yīng)滿足

(1)

(2)

在壓電疊堆伸長(zhǎng)的時(shí)間T/2內(nèi)，絲杠前進(jìn)的位移為

(3)

若s>Δδ,則絲杠在運(yùn)動(dòng)過程中，驅(qū)動(dòng)螺母和壓電疊堆的上端面脫離，此情況不成立，則絲杠的行程為Δδ。

若要保證壓電疊堆伸長(zhǎng)到最大伸長(zhǎng)處，承載螺母已經(jīng)旋回承載面，則需滿足承載螺母向下旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向距離應(yīng)不小于絲杠帶動(dòng)其前進(jìn)的距離。承載螺母在力矩電機(jī)的帶動(dòng)下向下旋轉(zhuǎn)的過程中，速度由初始轉(zhuǎn)速n1降為0。假設(shè)當(dāng)壓電疊堆伸長(zhǎng)到最大伸長(zhǎng)位置時(shí)，承載螺母恰好旋轉(zhuǎn)回承載面上并停止旋轉(zhuǎn)。由此，承載螺母的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為柔性聯(lián)軸器的勢(shì)能。假設(shè)與承載螺母相連的柔性聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)剛度為K1，與驅(qū)動(dòng)螺母相連的柔性聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)剛度為K2，承載螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為θ，力矩電機(jī)的初始角速度為w，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為I，則

(4)

(5)

承載螺母在T/2時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向下軸向距離s1為

(6)

s1應(yīng)滿足s1≥Δδ，聯(lián)合式(6)解得

(7)

絲杠理論上的前進(jìn)速度應(yīng)為

(8)

若s≤Δδ，則絲杠在運(yùn)動(dòng)過程中始終和疊堆接觸，此情況成立時(shí)絲杠的行程為s，壓電疊堆的部分位移被柔性聯(lián)軸器吸收。若要保證壓電疊堆伸長(zhǎng)時(shí)，承載螺母已旋回承載面，需滿足

s1≥s

(9)

由式(9)可得力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足

(10)

絲杠的理論前進(jìn)速度為

(11)

同樣，回程運(yùn)動(dòng)時(shí),在圖4中(a)～(b)階段時(shí)間為t1。在這個(gè)階段中，驅(qū)動(dòng)螺母由初始轉(zhuǎn)速n1逐漸變?yōu)?，驅(qū)動(dòng)螺母的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為和驅(qū)動(dòng)螺母相連的柔性聯(lián)軸器的勢(shì)能。設(shè)驅(qū)動(dòng)螺母轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為θ1，由能量之間的轉(zhuǎn)換可得

(12)

(13)

在這個(gè)階段驅(qū)動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向上的軸向距離為

(14)

在t1時(shí)刻，壓電疊堆上端面頂住驅(qū)動(dòng)螺母下端面，設(shè)壓電疊作動(dòng)角頻率為ω′，則有

(15)

(16)

承載螺母在t1后脫離成承載面，開始轉(zhuǎn)動(dòng)，直至和承載螺母相連的柔性聯(lián)軸器達(dá)到最大扭矩。設(shè)這期間承載螺母旋轉(zhuǎn)的角度為θ2，則有

(17)

聯(lián)合式(13)解得

(18)

若要保證壓電疊堆伸長(zhǎng)時(shí)，承載螺母已經(jīng)回落到承載面，需滿足承載螺母旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向距離小于驅(qū)動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向距離，即

θ2b<θ1b

(19)

聯(lián)合式(13)，(18)解得

(20)

在滿足式(20)的條件下，壓電疊堆伸長(zhǎng)時(shí)，承載螺母已經(jīng)旋回承載面。故在選用兩柔性聯(lián)軸器時(shí)，需考慮其扭轉(zhuǎn)剛度的大小，滿足式(20)。另外，柔性聯(lián)軸器的軸向剛度不能過大，需可以吸收壓電疊堆的最大位移。由于疊堆最大位移在20 μm左右，柔性聯(lián)軸器一般都可以達(dá)到要求，故不需對(duì)其軸向剛度做特別要求。

另外，初始狀態(tài)壓電疊堆頂在驅(qū)動(dòng)螺母上回程運(yùn)動(dòng)時(shí)，圖4(a)狀態(tài)，力矩電機(jī)開始帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)螺母反向旋轉(zhuǎn)，需要克服壓電疊堆端蓋和驅(qū)動(dòng)螺母之間的摩擦力。設(shè)驅(qū)動(dòng)螺母和壓電疊堆端蓋之間的摩擦因數(shù)為μ，驅(qū)動(dòng)螺母外徑為r1，內(nèi)徑為r2，壓電疊堆與驅(qū)動(dòng)螺母之間的預(yù)壓力為Fp，若要使力矩電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，則力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)矩M0與預(yù)壓力Fp之間需滿足

(21)

(22)

即壓電疊堆和驅(qū)動(dòng)螺母之間的預(yù)壓力不能過大，需滿足式(22)。

2.2 螺母和絲杠的設(shè)計(jì)

螺母和絲杠之間構(gòu)成了作動(dòng)器的關(guān)鍵部分-箝位機(jī)構(gòu)部分。螺母和絲杠之間相當(dāng)于兩個(gè)楔形塊，絲杠上的螺紋可展開成一個(gè)斜面，如圖6所示[11]。圖中：FHC為被動(dòng)偏轉(zhuǎn)力；PL為負(fù)載重量。

圖6 箝位結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic of the clamp structure

不考慮慣性效應(yīng)的條件下，若支持負(fù)載，須滿足以下條件

Fμ+FHC≥PLtanα

(23)

其中：Fμ=μcPL。

FHC≥PL(tanα-μc)

(24)

對(duì)于被動(dòng)偏轉(zhuǎn)力是一個(gè)定值，要使式(24)始終成立，需滿足

α≥arctanμc

(25)

即在滿足式(25)的條件下，螺母和絲杠可以實(shí)現(xiàn)自鎖。實(shí)驗(yàn)用絲杠和螺母材料均為不銹鋼304，摩擦因數(shù)μ為0.12，則

α≤arctanμc≈7°

(26)

設(shè)計(jì)時(shí)絲杠和螺母的螺旋面鍥角應(yīng)小于7°。

2.3 壓電疊堆的選擇

壓電疊堆是作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)元件，壓電疊堆的選擇對(duì)作動(dòng)器的性能非常關(guān)鍵。首先，必須是中空型壓電疊堆，內(nèi)徑需大于絲杠的外徑；其次，要考慮到與力矩電機(jī)、驅(qū)動(dòng)螺母的尺寸相匹配。這里選擇的是德國(guó)PI公司生產(chǎn)的低壓環(huán)形機(jī)械封裝式壓電陶瓷，型號(hào)為HPSt 150/14-10/25 VS22，如圖7所示。該壓電疊堆外徑為22 mm，內(nèi)徑為7.5 mm，長(zhǎng)為52 mm。工作電壓為0～150 V，最大行程為32 μm，最大承受負(fù)載為6 kN，最大推力為4.5 kN。其電壓、頻率和振幅之間的關(guān)系如圖8所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)所用壓電疊堆Fig.7 Piezoelectric stack used in the experiment

圖8 頻率-振幅曲線圖Fig.8 Operating frequency vs amplitude of the piezoelectric stack

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

圖9為作動(dòng)器外殼與內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)物圖。整個(gè)作動(dòng)器長(zhǎng)為140 mm，最大外徑為45 mm，重量為0.7 kg，最大行程為40 mm。

圖9 作動(dòng)器結(jié)構(gòu)實(shí)物圖Fig.9 Prototype of the actuator

圖10 測(cè)試裝置Fig.10 Testing devices

圖10為作動(dòng)器性能測(cè)試裝置。為了方便改變負(fù)載大小，將水桶的重量通過一個(gè)定滑輪和單向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)傳遞到作動(dòng)器的輸出軸絲杠上，通過改變水桶中的水量來改變負(fù)載的大小。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖11為壓電疊堆激勵(lì)頻率分別為75, 100，125 Hz下的作動(dòng)器速度和負(fù)載關(guān)系圖?？梢钥闯?，作動(dòng)器的速度基本隨負(fù)載的增大線性變小。在壓電疊堆激勵(lì)頻率為100 Hz、力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，作動(dòng)器輸出推力可達(dá)130 N。在負(fù)載低于30 N時(shí)，作動(dòng)器的速度變化較平緩，這主要是由于在這種負(fù)載下，力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)作動(dòng)器的速度影響較大。因?yàn)樵谪?fù)載較小的情況，壓電疊堆即使不作動(dòng)，力矩電機(jī)就可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

圖11 不同壓電疊堆驅(qū)動(dòng)頻率下的速度-負(fù)載曲線Fig.11 Speed vs load of the actuator with different driving frequency of the piezoelectric stack

對(duì)該作動(dòng)器測(cè)試時(shí)，施加的壓電疊堆激勵(lì)頻范圍為50～125 Hz，每種頻率下對(duì)應(yīng)的最大功率如圖12所示?？梢?，壓電疊堆頻率為100 Hz時(shí)，作動(dòng)器能達(dá)到最大功率，這是壓電疊堆的驅(qū)動(dòng)頻率和響應(yīng)幅值共同作用的結(jié)果。

圖12 頻率-功率曲線圖Fig.12 Frequency vs power of the actuator

由回程原理可知，絲杠必須在有負(fù)載情況下才能實(shí)現(xiàn)回程?；爻虝r(shí)由于力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)器限流，回程時(shí)力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子所受阻力變大，電流過流導(dǎo)致力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)關(guān)閉，所以只測(cè)試了負(fù)載為40 N以下時(shí)的作動(dòng)器性能。在壓電疊堆頻率為100 Hz時(shí)，所測(cè)作動(dòng)器回程性能如圖13所示。

圖13 速度-負(fù)載曲線圖Fig.13 Speed vs load of the actuator

4 結(jié)束語

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TM356； TB318； TH703.6

朱鵬舉，男，1989年11月生，碩士研究生。主要研究方向?yàn)樾滦痛笸屏弘娮鲃?dòng)器。 E-mail:pj-zhu0516@163.com 通信作者簡(jiǎn)介：時(shí)運(yùn)來，男，1976年10月生，副教授、碩士生導(dǎo)師。主要研究為壓電作動(dòng)技術(shù)及其應(yīng)用。 E-mail:shiyunlai950438@nuaa.edu.cn