曲建俊，郭文峰，李 將，劉 暢

（哈爾濱工業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱150001）

0 引 言

隨著壓電驅(qū)動技術的快速發(fā)展，蠕動式直線壓電驅(qū)動器在精密測量、精密加工以及精確定位等領域得到了廣泛的應用［1－3］。其特點是響應速度快、運行速度低、單步輸出位移小、輸出力較大、結構簡單和操控方便。目前，根據(jù)箝位體箝位方式可分為主動箝位驅(qū)動器和被動箝位驅(qū)動器。

近幾年，國內(nèi)外在蠕動式直線壓電驅(qū)動器方面研究較多。我國主要集中在吉林大學、南京航空航天大學、清華大學、天津大學和哈爾濱工業(yè)大學［4－12］。壓電驅(qū)動器結構形式較多，主要分為內(nèi)驅(qū)式［5－6，9－12］和 外 驅(qū) 式［4，7－8］兩 大 類，但 多 數(shù) 為 主 動箝位的工作方式，其特點是在通電狀態(tài)下箝位體對導軌箝位鎖緊，斷電時對導軌放松。國外的研究則主要集中在日本、美國、加拿大和瑞士等國家［13－16］。相對于主動箝位壓電驅(qū)動器研究成果，被動箝位式蠕動直線壓電驅(qū)動器研究成果相對較少，且多數(shù)為內(nèi)箝位工作方式，如吉林大學研制的內(nèi)箝位步進式壓電驅(qū)動器通過箝位體和驅(qū)動體與軌道之間的摩擦力的不同，實現(xiàn)驅(qū)動器的運動［6］；南京航空航天大學研制的多足箝位式壓電直線驅(qū)動器通過增加兩個箝位單元，實現(xiàn)箝位體任意時刻均與導軌處于接觸狀態(tài)［10］。2005年，加拿大學者研制了一款圓柱形被動箝位式外箝位壓電驅(qū)動器，其箝位體采用了三角放大結構，并將其應用于結構形變控制［16］。

本文利用被動箝位原理，設計了一臺大行程、速度低的非諧振蠕動直線型壓電驅(qū)動器，利用ANASY 仿真軟件研究了驅(qū)動體、箝位體、三角放大鉸和預緊柔性體等部件的結構設計，確定出電機的結構尺寸，測試了驅(qū)動器的空載和負載等性能，驗證了其原理的可行性。該驅(qū)動器可以實現(xiàn)斷電自鎖，適用于行程大、精密直線驅(qū)動的工作環(huán)境。

1 驅(qū)動器結構及工作原理

1.1 驅(qū)動器整體結構

蠕動式箝位壓電直線驅(qū)動器的工作原理是通過兩個箝位體和一個驅(qū)動體三者之間在一定的信號時序控制下實現(xiàn)電機的直線驅(qū)動。本文研制的壓電驅(qū)動器同樣由驅(qū)動箝位體、保持箝位體和驅(qū)動體組成，整體結構如圖1所示。

1.2 箝位體結構

箝位體分為驅(qū)動箝位體和保持箝位體，兩者結構相同，分別對導軌進行箝位和放松，并配合驅(qū)動體伸縮實現(xiàn)導軌直線運動，結構如圖2 所示。箝位原理是采用上下兩組具有三角放大功能的對稱結構實現(xiàn)對導軌的箝位。當箝位壓電疊堆通電伸長時，該結構將壓電疊堆的水平位移轉換為箝位頭的垂直位移，實現(xiàn)對導軌的放松；斷電時，箝位體在自身彈性力的作用下恢復對導軌的箝位。

圖1 驅(qū)動器整體結構Fig.1 Whole structure of piezoelectric driver

圖2 箝位體結構Fig.2 Structure of clamping

1.3 驅(qū)動器工作原理

本文研究的被動箝位壓電驅(qū)動器的工作原理如圖3所示。

由圖3可見，設計的驅(qū)動器與主動箝位式驅(qū)動器箝位原理相反。驅(qū)動器裝配時，箝位體預先給導軌施加一定的預緊力。工作時，箝位體壓電疊堆通電。

圖3 驅(qū)動器工作原理Fig.3 Working principle of piezoelectric driver

2 驅(qū)動器主要結構設計

2.1 驅(qū)動體設計

驅(qū)動體采用具有矩形截面的薄壁結構，其結構簡圖如圖4所示，其優(yōu)點在于結構簡單、加工方便，等效拉伸剛度容易確定。

圖4 驅(qū)動體結構簡圖Fig.4 Structure of extension body

驅(qū)動器選用哈爾濱芯明天公司銷售的壓電疊堆，型號為PSt 150／5×5／20，其結構尺寸為5 mm×5mm×18mm，額定電壓為150V，標稱位移為20μm，等效剛度為60N／μm。設計的驅(qū)動體厚度a＝0.5 mm，高度b＝8 mm，長度為18 mm。

根據(jù)設計尺寸，利用ANSYS軟件對驅(qū)動體結構進行等效拉伸剛度和固有頻率的仿真計算。通過不同載荷的仿真分析得出，驅(qū)動體等效剛度為31.2×106N／m，縱振固有頻率為5000Hz。

2.2 箝位體設計

驅(qū)動器箝位體結構如圖2所示，其結構采用了三角放大原理。由于壓電疊堆的輸出位移為微米級，若采用直接箝位的方式對導軌箝位和放松，箝位體對導軌的釋放間隙量較小或不能完全放松。因此，本文所設計的驅(qū)動器箝位體采用了三角放大結構，以此來提高箝位壓電疊堆的輸出位移，增加箝位體釋放間隙。

三角放大結構每側由兩個半圓形直圓柔性鉸鏈構成，通過柔性鉸鏈形變實現(xiàn)壓電疊堆輸出位移的轉化和放大。其結構簡單，易于機械加工。具體結構參數(shù)如圖5所示。圖5為左側半個三角放大結構的示意圖。

圖5 箝位體三角臂尺寸參數(shù)Fig.5 Dimension parameter of triangulation amplifier

根據(jù)三角放大結構的放大原理，放大倍數(shù)由三角臂與水平軸的夾角α 決定，其放大關系為［17］：

式中：y 為三角放大結構垂直方向運動的距離；x為三角放大結構單側水平方向運動的距離。

本文設計的箝位體位移放大倍數(shù)的理論值為4，即y／（2x）＝4，此時的三角臂與水平軸的夾角α＝7°。圖6為水平方向加載位移載荷，使三角放大結構產(chǎn)生19μm 位移時箝位頭垂直方向的位移云圖。

在確定三角放大倍數(shù)的基礎上，固有頻率為箝位體結構設計的另一個主要參數(shù)。根據(jù)驅(qū)動器工作原理可知，若要滿足驅(qū)動器正常運行，箝位體固有頻率與驅(qū)動體固有頻率應滿足以下關系：即箝位體固有頻率應大于等于驅(qū)動體固有頻率，以滿足箝位體對導軌及時地放松和箝位。

圖6 三角放大結構水平和垂直位移云圖Fig.6 Vertical displacement of triangulation amplifier

利用ANSYS多次仿真計算可得，當直圓柔性鉸鏈厚度t＝0.6mm，半徑R＝1mm 時，其響應頻率為8888Hz，遠大于驅(qū)動體響應頻率5000 Hz。因此，該結構尺寸可以滿足驅(qū)動器運行的基本要求。

2.3 箝位壓電疊堆預緊柔性體設計

箝位壓電疊堆預緊柔性體結構簡圖如圖7所示。其結構可簡化為中間具有集中質(zhì)量，兩端為固定端支撐結構。通過柔性體彈性變形作用實現(xiàn)對箝位壓電疊堆的預緊和定位，同時起到保護壓電疊堆，避免其承受彎曲載荷的作用。

圖7 箝位壓電疊堆預緊結構Fig.7 Structure of preloading clamping PZT

通過改變?nèi)嵝泽w厚度和長度，并利用ANSYS進行多次仿真計算得出，當厚度為0.7 mm，長度為5 mm 時，其動態(tài)響應頻率為8785 Hz，遠大于驅(qū)動體響應頻率，滿足驅(qū)動器的運行要求。

3 實驗結果與討論

3.1 驅(qū)動器制作

驅(qū)動器驅(qū)動體和箝位體結構均采用7075硬鋁合金材料，并利用線切割加工制作而成。加工裝配后的驅(qū)動器原理樣機如圖8所示。

圖8 驅(qū)動器原理樣機Fig.8 Prototype of driver

硬鋁合金的優(yōu)點在于強度高、彈性模量小，驅(qū)動體和箝位體等效剛度小，壓電疊堆在其彈性負載作用下輸出位移較大，最大限度地減小壓電疊堆輸出位移的損失。

3.2 實驗系統(tǒng)

驅(qū)動器實驗系統(tǒng)如圖9所示。該實驗系統(tǒng)可以測量驅(qū)動器空載以及不同負載下的驅(qū)動器性能。驅(qū)動器電源由哈爾濱芯明天公司生產(chǎn)，其型號為XE－501，其輸出電壓為0～150V。驅(qū)動器輸出位移測試傳感器采用基恩士公司生產(chǎn)的LKG 系列的高速、高精確CCD 激光位移傳感器，其精確測量位移值為0.1μm。

圖9 驅(qū)動器實驗系統(tǒng)Fig.9 Experimental testing system of driver

3.3 驅(qū)動器空載特性

驅(qū)動器在150V 額定驅(qū)動電壓下，空載特性如圖10所示。驅(qū)動器空載運行速度隨驅(qū)動頻率的增大先增大后減小。當驅(qū)動頻率為70Hz時達到最大值，其值為0.43mm／s。

理想工作狀態(tài)下，驅(qū)動器運行速度與驅(qū)動頻率和單步位移的關系為：

式中：v為驅(qū)動器運行速度；L0為驅(qū)動體單步輸出位移。

圖10 驅(qū)動器空載特性Fig.10 No load characteristic of driver

實際運行狀態(tài)是驅(qū)動頻率大于一定值后，驅(qū)動器運行速度開始下降。分析產(chǎn)生此工作狀態(tài)的原因是由于金屬材料存在阻尼，導致驅(qū)動體動態(tài)響應頻率較低。高頻驅(qū)動時，驅(qū)動體伸縮狀態(tài)不能隨壓電疊堆的斷電復位而復位，驅(qū)動體出現(xiàn)振動懸浮狀態(tài)，導致單步輸出位移減小，驅(qū)動器速度下降。

3.4 驅(qū)動器負載特性

研究了驅(qū)動器在不同驅(qū)動頻率、額定驅(qū)動電壓150V 條件下的負載特性，結果表明，當驅(qū)動頻率為50Hz左右時，驅(qū)動器負載特性較平穩(wěn)，驅(qū)動力和空載運行速度較大，分別為2.1 N 和0.38 mm／s，如圖11所示。

圖11 50Hz頻率驅(qū)動下的負載特性Fig.11 Load characteristic of driver under 50Hz

由圖11可見，驅(qū)動器驅(qū)動力遠小于箝位體保持力（后面章節(jié)闡述），分析導致驅(qū)動力較小的原因是由于箝位體在通電時不能實現(xiàn)對導軌完全放松，仍具有一定的箝位保持力，影響驅(qū)動器正常工作，導致驅(qū)動力較小。

3.5 驅(qū)動電壓對驅(qū)動力的影響

在50 Hz驅(qū)動頻率、0.05 mm／s 運動速度下，測試了驅(qū)動電壓對驅(qū)動力的影響，結果如圖12所示。

圖12 驅(qū)動器驅(qū)動力與驅(qū)動電壓關系Fig.12 Relationship between driving force and voltage

由圖12可見，驅(qū)動力隨驅(qū)動電壓的增大近似線性增長。當驅(qū)動電壓為58V、運動速度為0.05 mm／s時，驅(qū)動力為零。表明箝位體三角放大結構在導軌預緊力的作用下產(chǎn)生了一定的壓縮量，箝位體壓電疊堆在驅(qū)動電壓較低時，水平位移量較小，不足以克服預緊壓縮量，致使箝位體三角放大結構箝位頭不能產(chǎn)生垂直方向的位移，實現(xiàn)對導軌的放松。

3.6 箝位體保持力

在通電和斷電時，分別測試了驅(qū)動箝位和保持箝位對導軌的箝位力，測試結果如圖13所示。由圖可見，曲線1為保持箝位體在額定電壓下，驅(qū)動箝位體電壓不同時，驅(qū)動器保持箝位力的大??；曲線2表示驅(qū)動箝位體在額定電壓下，保持箝位體電壓不同時，驅(qū)動器保持箝位力的大小。由圖13可見，驅(qū)動箝位體從斷電至額定電壓時，驅(qū)動器對導軌箝位力減小約2N；同理，保持箝位體從斷電至額定電壓時，驅(qū)動器對導軌箝位力減小約3N。上述2種情況的箝位力減小量均遠小于驅(qū)動器17N 的保持箝位力。

圖13 箝位體保持力Fig.13 Holding force of clamping bodies

圖13中結果證實了驅(qū)動箝位體和保持箝位體在通電狀態(tài)下對導軌不能完全放松或放松程度較小，從而導致驅(qū)動力較小。分析產(chǎn)生此現(xiàn)象的實質(zhì)是由于箝位體壓電疊堆預緊柔性體的等效剛度大于三角放大結構的等效剛度。當對導軌進行預緊時，三角放大結構被壓縮，產(chǎn)生預緊壓縮現(xiàn)象。當箝位體壓電疊堆通電伸長時，需要先克服該壓縮量，然后才能實現(xiàn)箝位頭的垂直運動。當壓縮量過大時導軌不能被完全放松。因此，在下一階段的深入研究中，應重點優(yōu)化箝位體的各部分結構的等效剛度，實現(xiàn)各部分結構的剛度匹配，提高驅(qū)動器的驅(qū)動性能。

4 結 論

（1）研制了一款蠕動式被動箝位壓電直線驅(qū)動器。驅(qū)動器箝位體采用了三角放大結構，放大箝位壓電疊堆的輸出位移，提高箝位體運動位移。驅(qū)動器具有斷電自鎖、節(jié)能以及大行程的特點，可應用在精密驅(qū)動和定位系統(tǒng)。

（2）驅(qū)動器在50Hz時運行比較平穩(wěn)，其最大驅(qū)動力約為2.1N，空載運行速度約為0.38mm／s，在70 Hz時，空載運行速度最大，約為0.43 mm／s。

（3）驅(qū)動器具有較高的響應頻率。驅(qū)動器目前驅(qū)動力較小，其值遠小于導軌的保持力，主要是由于箝位體受到壓縮導致其在額定電壓驅(qū)動下不能對導軌完全放松，需進一步優(yōu)化箝位體尺寸，實現(xiàn)預緊和放大的剛度匹配。此外，還應研究不同預緊狀態(tài)對驅(qū)動器性能的影響。

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