王 耿,魏維寧,代 軍,閆勇剛
(河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,河南 焦作 454000)
微納米尺度的精密運(yùn)動(dòng)對(duì)工業(yè)與科學(xué)的發(fā)展至關(guān)重要,在原子力顯微鏡[1]、微加工裝配[2]、光學(xué)元件對(duì)準(zhǔn)[3-4]、精密印刷[5]和生物醫(yī)療[6]等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。人們通常采用柔性機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)微納米精密運(yùn)動(dòng),與傳統(tǒng)機(jī)械關(guān)節(jié)相比,柔性機(jī)構(gòu)具有制造方便,無(wú)側(cè)隙和摩擦,可重復(fù)精度高,結(jié)構(gòu)緊湊及無(wú)需潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。
微納米精密運(yùn)動(dòng)可以是線性的[9]或偏擺的[10],也可以是一維的[11]或多自由度的。其中,線性-偏擺相結(jié)合的精密運(yùn)動(dòng)在許多領(lǐng)域有重要作用。這種運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可以同時(shí)解決光學(xué)中距離和角度的校準(zhǔn)問(wèn)題;在快刀加工中,通過(guò)改變實(shí)際切削角度,能夠明顯改善切削力、切削熱、加工表面質(zhì)量以及刀具壽命。
柔性機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)行程、運(yùn)動(dòng)精度的改善上效果顯著[12-13]。Kang 等[14]設(shè)計(jì)了一款由音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)的六自由運(yùn)動(dòng)平臺(tái),可以實(shí)現(xiàn)0.5 mm 的線性運(yùn)動(dòng)和5 mrad 的角度擺動(dòng)。Clark 等[15]設(shè)計(jì)了一種基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的柔性鉸鏈的雙自由度微位移平臺(tái),可以實(shí)現(xiàn)平移以及偏擺,在偏擺上的工作行程有535.8 μrad,且解耦性能良好,一階模態(tài)達(dá)到了795 Hz。Kunhai 等[16]設(shè)計(jì)了一種六自由度精密定位系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)8.2 μm×10.5 μm×13.0 μm×225 μrad×105 μrad×97 μrad 內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。然而,上述線性-偏擺微動(dòng)平臺(tái)的固有頻率普遍較小,其主要原因在于,一方面要實(shí)現(xiàn)多種功能;另一方面偏擺運(yùn)動(dòng)要有扭矩和偏擺中心,需要多結(jié)構(gòu)間相互作用,使得平臺(tái)尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。此外,壓電材料的固有特性使得以它作為動(dòng)力源的微動(dòng)平臺(tái)存在行程小的問(wèn)題。
壓電陶瓷具有頻響高、分辨率高、易于控制和體積小等優(yōu)點(diǎn)[17]。本文提出了一種基于壓電驅(qū)動(dòng)的雙自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái),在高帶寬、大行程的前提下實(shí)現(xiàn)了線性運(yùn)動(dòng)與偏擺運(yùn)動(dòng)的結(jié)合。
微動(dòng)平臺(tái)主要由底座、上層平臺(tái)、下層平臺(tái)、肋板和壓電陶瓷組成,上、下平臺(tái)通過(guò)銷釘緊密連接,如圖1 所示。
圖1 二自由度線性偏擺平臺(tái)Fig.1 Two-degree-of-freedom linear deflection platform
上層平臺(tái)(圖2(a))通過(guò)安裝孔固定,壓電陶瓷安裝在壓電驅(qū)動(dòng)器中。平行四邊形鉸鏈變形,帶動(dòng)中間整體產(chǎn)生線性位移(圖2(b));蛇形鉸鏈變形,運(yùn)動(dòng)平臺(tái)偏擺一定角度(圖2(c))。為增大行程,在上層平臺(tái)安裝肋板,將蛇形鉸鏈的左右對(duì)稱處連接,使它在線性運(yùn)動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生擺動(dòng),減小能量損耗。偏擺運(yùn)動(dòng)時(shí),由于蛇形鉸鏈的運(yùn)動(dòng)和變形一致,因此肋板不對(duì)偏擺角度產(chǎn)生影響。
圖2 上層平臺(tái)Fig.2 Upper platform
下層平臺(tái)(圖3(a))通過(guò)安裝孔固定,由壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng),兩個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器輸出直線運(yùn)動(dòng),經(jīng)中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)生成扭矩。當(dāng)上層的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生線性位移,會(huì)引起薄壁梁的變形(圖3(b));當(dāng)產(chǎn)生偏擺運(yùn)動(dòng),下層扭矩通過(guò)銷釘帶動(dòng)上層平臺(tái)扭轉(zhuǎn)一定角度(圖3(c))。其中,壓電驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)與上層平臺(tái)一致,以便于機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和壓電陶瓷的選型。
圖3 下層平臺(tái)Fig.3 Lower platform
線性運(yùn)動(dòng)時(shí),平臺(tái)可簡(jiǎn)化為一個(gè)彈簧系統(tǒng),如圖4 所示。彈簧1,2,3,4 分別代表復(fù)合平行四邊形鉸鏈、薄壁梁、蛇形鉸鏈和壓電驅(qū)動(dòng)器。有輸入時(shí),彈簧4 一邊向上位移,一邊壓縮,設(shè)其初始長(zhǎng)度為L(zhǎng)0,則有:
圖4 平臺(tái)線性運(yùn)動(dòng)的等效模型Fig.4 Equivalent model of platform linear motion
其中:xth為理論輸入位移,xre為實(shí)際輸出位移,L為壓縮后的長(zhǎng)度。
設(shè)彈簧4 受壓力f作用,彈簧剛度為ki(i=1,2,3,4),則有:
結(jié)合式(1)、式(2)以及串、并聯(lián)彈簧的關(guān)系,可得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的輸出為:
其中:f2為作用到彈簧2 上的力,理論位移xth1可以通過(guò)壓電陶瓷的實(shí)際輸入Δx進(jìn)行控制,即xth1=ηΔx。
3.1.1k1,k2的計(jì)算
復(fù)合平行四邊形鉸鏈和下層平臺(tái)的薄壁梁的相似結(jié)構(gòu)如圖5 所示??紤]邊界條件:末端轉(zhuǎn)角為0,根據(jù)材料力學(xué)推導(dǎo)出:
圖5 梁的變形Fig.5 Deformation of beam
其中:E為材料的楊氏模量,I=bh3/12,為橫截面的慣性矩。
整理可得:
根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性以及平行四邊形鉸鏈的復(fù)合結(jié)構(gòu),k1=
3.1.2k3的計(jì)算
蛇形鉸鏈部分對(duì)線性和偏擺有直接影響且結(jié)構(gòu)最復(fù)雜。因其結(jié)構(gòu)對(duì)稱,取其右下結(jié)構(gòu)(圖6(a))分析,為保證分析精度,采用有限單元法。假設(shè)肋板與上層平臺(tái)位于同一水平面,將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為15 個(gè)梁?jiǎn)卧?,如圖6(b)所示。
取第i個(gè)單元分析(圖6(c))有:
圖6 1/4 蛇形鉸鏈的剛度計(jì)算Fig.6 Stiffness calculation of 1/4 serpentine hinge
其中:E是楊氏模量,A,I為梁的橫截面積和最小慣性矩為梁相對(duì)坐標(biāo)下的物理量,下標(biāo)p和q表示梁?jiǎn)卧膬啥耍現(xiàn)x,F(xiàn)y和M代表?xiàng)U端的軸力、剪力和彎矩,u,v和θ分別為桿端的軸向位移、橫向位移和轉(zhuǎn)角位移。將式(6)整合成矩陣形式有:
可簡(jiǎn)寫為:
式中F,k和δ分別代表局部坐標(biāo)系下的廣義力、單位剛度矩陣和廣義位移。
于是一個(gè)梁?jiǎn)卧恼w剛度矩陣有:
其中T為整體坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣,即:
依次對(duì)每個(gè)梁?jiǎn)卧M(jìn)行上述計(jì)算,再整合即可得到整體剛度矩陣。由于計(jì)算量大,通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助完成k3的計(jì)算。
3.1.3k4與η的計(jì)算
對(duì)于壓電執(zhí)行器,考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,取左上四分之一進(jìn)行分析,如圖7 所示。
圖7 1/4 壓電驅(qū)動(dòng)器的受力分析Fig.7 Force analysis of 1/4 piezoelectric driver
當(dāng)壓電執(zhí)行器只受壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)時(shí),對(duì)它進(jìn)行受力分析,AB和AC段都會(huì)有變形,引入邊界約束條件,有:
其中下標(biāo)n,t分別表示軸向和切向。
整理可得放大比:
同理,當(dāng)只有B端受到一個(gè)豎直向下的力fy時(shí),可得其剛度為:
將k1~k4,η帶入式(3)即可得到線性運(yùn)動(dòng)中輸入與輸出的關(guān)系。
偏擺運(yùn)動(dòng)同樣可以簡(jiǎn)化為彈簧系統(tǒng)(圖8(a)所示),彈簧4,5,6,7 分別代表壓電執(zhí)行器、傳遞桿、薄壁梁和蛇形鉸鏈,kj為彈簧j的剛度。桿上a,b的變形可以看作是f1和f2的共同作用引起的(如圖8(b)所示),a,b點(diǎn)的位移為:
圖8 平臺(tái)偏擺運(yùn)動(dòng)分析Fig.8 Analysis of platform deflection motion
其中:k1a,k2a,k1b,k2b表示梁上a,b點(diǎn)關(guān)于f1,f2的剛度,即ΔXf1a=f1/k1a,ΔXf2a=f1/k2a,ΔXf1b=f1/k1b,ΔXf2b=f2/k2b。結(jié)合式(14)和式(15),有:
偏擺角度的輸出為:
3.2.1k5,k6的計(jì)算
根據(jù)桿的拉、壓變形δ=,有:
其中λ分別為5,6。
3.2.2k1a,k1b,k2a,k2b的計(jì)算
如圖9 所示,由撓度公式可知:
圖9 梁的撓度圖Fig.9 Deflection diagram of beam
于是有:
其中:l1,l2分別對(duì)應(yīng)la,lb,lt=l-l1-l2。
為方便計(jì)算,這里給出在f1,f2作用下b點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)角度(本機(jī)構(gòu)f2作用于中點(diǎn)):
3.2.3k7的計(jì)算
當(dāng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)擺動(dòng)時(shí),上層主要是蛇形鉸鏈產(chǎn)生的變形,取其右下結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,如圖10 所示,偏擺主要由四根細(xì)長(zhǎng)梁變形產(chǎn)生。
圖10 1/4 蛇形鉸鏈的受力分析Fig.10 Force analysis of 1/4 serpentine hinge
對(duì)梁進(jìn)行受力分析,由于梁的端部轉(zhuǎn)角為0,于是有:
其中:M為下層平臺(tái)傳遞的扭矩,l0為梁的長(zhǎng)度,即l0=R-r,E為材料的楊氏模量,I0為梁的慣性矩。
圖10 中,θ1=d/r,θ2=θ1+d/R,θ3=θ2+d/r,θ4=θ3+d/R。聯(lián)立可得:
運(yùn)動(dòng)平臺(tái)偏擺時(shí),下層結(jié)構(gòu)會(huì)吸收一部分能量,主要集中在桿ab和薄壁梁的變形上,如圖11所示。F1的力臂很小,生成的扭矩可忽略不計(jì)。
圖11 薄壁梁的變形Fig.11 Deformation of thin-walled beam
中間運(yùn)動(dòng)平臺(tái)偏擺時(shí),會(huì)引起薄壁梁的位移和偏轉(zhuǎn),于是有:
得:
當(dāng)傳遞到中間運(yùn)動(dòng)平臺(tái)M扭矩時(shí):
由式(25)和式(28)可得,當(dāng)平臺(tái)輸出θOP時(shí)有:
聯(lián)立式(16)、式(19)、式(22)~式(23)和式(29)~式(30)可得:
將k4~k7,k1a,k2a,k1b和k2b代入式(16)~式(18),即可得到偏擺運(yùn)動(dòng)中輸入與輸出的關(guān)系。
分析模型可知:增大線性位移,應(yīng)減小k1,k2,增大k3,即要求四邊形鉸鏈和細(xì)長(zhǎng)梁的徑向剛度盡可能小,蛇形鉸鏈細(xì)梁的軸向剛度盡可能大,細(xì)梁間夾角盡可能?。辉龃笃珨[,應(yīng)減小k7,即要求蛇形鉸鏈16 根細(xì)梁的徑向剛度盡可能小??紤]結(jié)構(gòu)緊湊性、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和加工條件,取平臺(tái)中平行四邊形鉸鏈、蛇形鉸鏈和細(xì)長(zhǎng)梁的寬度為0.8 mm,蛇形鉸鏈的細(xì)梁間夾角為15°,由此計(jì)算理論模型得:平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)25.284 μm 和1.450 mrad 的運(yùn)動(dòng)。
運(yùn)用ANSYS Workbench 2019 R3 對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。由于結(jié)構(gòu)中細(xì)小尺寸較多,為細(xì)化網(wǎng)格,使用四面體網(wǎng)格劃分,使用patch conforming 算法。節(jié)點(diǎn)數(shù)量超過(guò)26 000 個(gè),元素的數(shù)量超過(guò)11 000 個(gè),模型的每個(gè)截面至少跨越了5 個(gè)元素。上、下層平臺(tái)材料選用7075 鋁合金,其余選用45 鋼,以減小不必要的變形,在各安裝孔處設(shè)置固定約束。
根據(jù)預(yù)選的壓電陶瓷規(guī)格,給定幾組可實(shí)現(xiàn)的位移,記錄中間運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng),然后將相同的輸入帶進(jìn)理論模型,得出的數(shù)據(jù)整理后與仿真結(jié)果對(duì)比,如圖12 所示。線性運(yùn)動(dòng)的理論數(shù)據(jù)最大誤差在1%左右,偏擺運(yùn)動(dòng)的最大誤差在8.5%左右。
圖12 運(yùn)動(dòng)對(duì)比Fig.12 Kinetic comparison
值得注意的是,線性運(yùn)動(dòng)的理論數(shù)值小于仿真結(jié)果,而偏擺的理論數(shù)值卻大于仿真結(jié)果。其原因主要在于:在壓電執(zhí)行器的計(jì)算中,為方便計(jì)算簡(jiǎn)化了模型,式(12)中的dx減小,導(dǎo)致線性模型的最終數(shù)據(jù)小于仿真結(jié)果;而偏擺理論模型中,盡管也涉及到dx減小的問(wèn)題,但模型中簡(jiǎn)化了ab桿和薄壁梁,將梁的兩端柔性鉸鏈的扭轉(zhuǎn)剛度省略,當(dāng)作轉(zhuǎn)動(dòng)副考慮,其次忽略了F1的作用,以及上層平臺(tái)中除蛇形鉸鏈外其余結(jié)構(gòu)的微小變形。雖然運(yùn)動(dòng)結(jié)果有偏差,仍在可允許的范圍內(nèi)。
通過(guò)ANSYS 仿真分析得到平臺(tái)的線性度誤差為0.030 6 μm/μm,即平臺(tái)每產(chǎn)生1 μm 的線性運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)在其正交方向上產(chǎn)生約0.030 6 μm 的偏移。平臺(tái)的定軸精度為0.139 7 μm/mrad,即平臺(tái)每產(chǎn)生1 mrad 的偏擺角度時(shí)會(huì)在其圓心產(chǎn)生0.139 7 μm 的偏移。
由于線性運(yùn)動(dòng)和偏擺運(yùn)動(dòng)相耦合,當(dāng)兩種運(yùn)動(dòng)同時(shí)產(chǎn)生時(shí),行程會(huì)有所下降,結(jié)果如圖13 所示。位移(偏擺)最多減小0.035 μm(0.003 mrad),所引起的誤差在一定范圍內(nèi)可通過(guò)增大驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)補(bǔ)償。
圖13 耦合性仿真結(jié)果Fig.13 Coupling simulation results
本文加工出的微動(dòng)平臺(tái)樣機(jī)如圖14 所示,整體尺寸(不包含底座)為88 mm×83.8 mm×18 mm。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖15 所示,主要包括微動(dòng)平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)電源(MDT694B,Thorlabs)、調(diào)理電路電源(APS3005D,深圳市安泰信科技有限公司)、dSPACE、電容式傳感器(E-501,PI 公司)、壓電陶瓷(PSt150/5×5/20L,哈爾濱芯明天科技有限公司)、信號(hào)調(diào)理電路(西安駿騰電子科技有限公司)和應(yīng)變式傳感器。
圖14 微動(dòng)平臺(tái)實(shí)物圖Fig.14 Physical map of micro-motion platform
圖15 壓電微動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.15 Pizoelectric micro motion experimental platform
首先,由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一定波形的信號(hào),經(jīng)dSPACE 的D/A 模塊將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào),模擬信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電源放大后作用在壓電陶瓷上,使之產(chǎn)生一定的位移和力,驅(qū)動(dòng)平臺(tái)做線性和偏擺運(yùn)動(dòng)。集成在平臺(tái)上的應(yīng)變傳感器將采集到的電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大后傳送給dSPACE,最后dSPACE 將采集到的信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行后期處理。
實(shí)驗(yàn)采用應(yīng)變式傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量,因?yàn)殡娙菔絺鞲衅靼惭b不方便且存在校準(zhǔn)誤差。應(yīng)變式傳感器利用4 個(gè)相同的應(yīng)變片搭建惠斯通電橋。V+、V0 供電,S+、S-測(cè)試信號(hào),2 個(gè)應(yīng)變片的粘貼位置如圖16 所示。圖示位置應(yīng)變易檢測(cè),而且不會(huì)因?yàn)榱硪环N運(yùn)動(dòng)受到影響,另外兩個(gè)應(yīng)變片粘貼在無(wú)應(yīng)變區(qū)域。做線性運(yùn)動(dòng)時(shí),圖16(a)的R2和R1位置分別產(chǎn)生拉、壓應(yīng) 變,引起R1,R2的反向變化,R0不變,S+,S-之間產(chǎn)生電壓差。做偏擺運(yùn)動(dòng)時(shí),圖16(b)的R1和R2位置均產(chǎn)生拉應(yīng)變,引起R1,R2電阻的變化,R0不變,S+,S-之間產(chǎn)生電壓差。下層平臺(tái)有兩組電橋是為了驗(yàn)證兩個(gè)壓電陶瓷能否正常工作,在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試中只記錄其中一組數(shù)據(jù)。
圖16 應(yīng)變式傳感器Fig.16 Strain sensor
實(shí)驗(yàn)前,精準(zhǔn)安裝電容傳感器,對(duì)應(yīng)變傳感器進(jìn)行標(biāo)定。具體方法如下:給定壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電壓,分別記錄電容傳感器和應(yīng)變傳感器的電壓信號(hào),確定比例系數(shù)為11.656 mV/μm(313.758 mV/mrad),即每輸出1 μm(1 mrad)時(shí),應(yīng)變傳感器輸出11.656 mV(313.758 mV)的電壓信號(hào)。再改變驅(qū)動(dòng)電壓,對(duì)比例系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果如圖17 所示。通過(guò)測(cè)試,平臺(tái)可以在105 V 下實(shí)現(xiàn)24.924 μm 的線性運(yùn)動(dòng),與理論模型的誤差為1.428%;112.5 V 下實(shí)現(xiàn)1.330 mrad 的角度擺動(dòng),與理論模型的誤差為9.022%。由此證明了理論模型與仿真模型的正確性。
圖17 應(yīng)變傳感器的標(biāo)定Fig.17 Calibration of strain sensor
平臺(tái)有兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),圖18 為對(duì)應(yīng)的第一和第六階模態(tài)效果圖。給上、下層壓電陶瓷分別施加1~700 Hz,1~400 Hz 的正弦掃頻信號(hào),電壓幅值為15 V,得到的頻率響應(yīng)如圖19 所示,微動(dòng)平臺(tái)的一階固有頻率在333.8 Hz 左右。當(dāng)偏擺運(yùn)動(dòng)時(shí),265 Hz 左右的掃頻段也有小峰值出現(xiàn),這是由下層的兩個(gè)壓電陶瓷的性能和參數(shù)不完全一致引起的局部固有頻率。
圖18 模態(tài)效果Fig.18 Modal effect
圖19 頻率響應(yīng)Fig.19 Frequency response
為測(cè)試結(jié)構(gòu)性能,分別對(duì)平臺(tái)的線性和偏擺運(yùn)動(dòng)做了開/閉環(huán)測(cè)試。其中,開環(huán)測(cè)試依次給定線性(偏擺)90 V,1 Hz 的正弦波、方波和三角波,產(chǎn)生了21.364 μm(1.063 mrad)的運(yùn)動(dòng),結(jié)果如圖20 所示,其遲滯效果如圖21(a)所示。閉環(huán)采用PID 控制,同樣給定90 V 的電壓,其結(jié)果如圖21(b)所示,遲滯效應(yīng)有效降低,在低頻下對(duì)平臺(tái)的線性和偏擺運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了良好的跟蹤控制。
圖20 開環(huán)測(cè)試Fig.20 Open loop test
圖21 開閉環(huán)遲滯曲線Fig.21 Open and closed loop hysteresis curves
本文提出了一種二自由度微動(dòng)平臺(tái),可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)與偏擺運(yùn)動(dòng),建立了精確的數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能。結(jié)果表明,該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)24.924 μm 的線性運(yùn)動(dòng)和1.330 mrad 的角度偏擺,通過(guò)PID 實(shí)現(xiàn)了低頻下的跟蹤控制,從而為微動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和高精密運(yùn)動(dòng)研究提供參考。未來(lái)將主要圍繞共同驅(qū)動(dòng)和高頻控制兩方面展開研究。