岳志涵，潘巧生，陶圣至，商靜怡，李曉杰

(合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院測(cè)量理論與精密儀器安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230009)

1 引 言

近年來(lái)隨著航空航天、生物醫(yī)療、電子信息、精密儀器等高新科技領(lǐng)域的發(fā)展以及現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高精度自動(dòng)化控制的需求越來(lái)越大，傳統(tǒng)的電磁電機(jī)由于原理和結(jié)構(gòu)的限制已經(jīng)不能滿足諸多領(lǐng)域的需求，由此誕生出新型電機(jī)，壓電電機(jī)是其中較為成熟的一種。壓電電機(jī)具有諸多優(yōu)勢(shì)，如可以在真空低溫等極端環(huán)境工作，無(wú)電磁和噪聲干擾[1，2]，位移分辨率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)靈活[3，4]，可實(shí)現(xiàn)精密運(yùn)動(dòng)控制[5，6]等，受到現(xiàn)代工業(yè)、高新科技領(lǐng)域的青睞，并且被廣泛應(yīng)用于航天器、機(jī)器人、照相機(jī)以及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域[7，8]。傳統(tǒng)壓電電機(jī)普遍以鋸齒波作為激勵(lì)信號(hào)，但在每個(gè)步進(jìn)周期中動(dòng)子會(huì)有回退現(xiàn)象，無(wú)法保證定向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而誕生了同步箝位式壓電電機(jī)。同步箝位控制原理結(jié)合了壓電超聲馬達(dá)的諧振驅(qū)動(dòng)和尺蠖馬達(dá)的控制機(jī)理兩個(gè)特點(diǎn)，克服了兩者的缺點(diǎn)：壓電超聲馬達(dá)工作過(guò)程中存在滑動(dòng)摩擦和尺蠖馬達(dá)準(zhǔn)靜態(tài)工作頻率較低[9～15]。同步箝位式壓電電機(jī)采用方波作為激勵(lì)信號(hào)，保證方波形式的位移運(yùn)動(dòng)，優(yōu)勢(shì)在于能在驅(qū)動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)速度為零處卡緊和松開，理論上無(wú)滑動(dòng)摩擦存在，效率較高，損耗減少。例如賀良國(guó)等研究的新型同步箝位控制壓電馬達(dá)，該馬達(dá)總效率可達(dá)18.5%[16],但此類箝位式馬達(dá)受到方波作為激勵(lì)信號(hào)的限制，當(dāng)工作頻率接近箝位結(jié)構(gòu)的共振頻率時(shí)，位移波形會(huì)出現(xiàn)趨向于正弦波的失真情況，無(wú)法于諧振態(tài)工作。為此，本團(tuán)隊(duì)前期提出多級(jí)音叉結(jié)構(gòu)，通過(guò)周期性機(jī)械振動(dòng)波形合成產(chǎn)生機(jī)械方波[17]，這種思路能夠提高箝位部分的振幅與頻率，但結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度極高。為降低箝位結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，有學(xué)者對(duì)降低馬達(dá)振子精度做過(guò)研究，但效果并不理想[18]。本次設(shè)計(jì)箝位部分不再采用方波而是直接采用正弦波做激勵(lì)信號(hào)，由于在實(shí)際情況中滑臺(tái)的存在會(huì)對(duì)箝位部分正弦波形式的位移運(yùn)動(dòng)進(jìn)行修正，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明正弦波同樣能達(dá)到方波的效果，且以正弦波作為激勵(lì)不會(huì)受到箝位部分共振頻率的干擾，電機(jī)的工作頻率可再度提升，性能亦得到改善。

根據(jù)上述分析，本文設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1) 降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度，簡(jiǎn)化箝位部分結(jié)構(gòu)。相較于傳統(tǒng)箝位式壓電電機(jī)，無(wú)需通過(guò)波形合成產(chǎn)生機(jī)械方波；同時(shí)與超聲電機(jī)相比簡(jiǎn)化了復(fù)雜的模態(tài)簡(jiǎn)并設(shè)計(jì)流程。

(2) 可以于準(zhǔn)靜態(tài)和諧振態(tài)下工作，準(zhǔn)靜態(tài)下實(shí)現(xiàn)低速高精度，諧振態(tài)下實(shí)現(xiàn)高速大步距。

2 結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1所示裝置為本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的新型箝位式壓電電機(jī)，可根據(jù)功能區(qū)分為驅(qū)動(dòng)部分和箝位部分。

圖1 新型箝位式壓電電機(jī)Fig.1 A novel piezoelectric drive motor using the way of clamping mechanism

2.1 結(jié)構(gòu)組成

驅(qū)動(dòng)部分為圖1中右半部分，該部分由驅(qū)動(dòng)定子來(lái)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)上端蓋的移動(dòng)，滑臺(tái)支撐座將滑臺(tái)抬升至與箝位部分同一高度，驅(qū)動(dòng)定子與滑臺(tái)上端蓋、滑臺(tái)下端蓋與滑臺(tái)支撐座均采用螺栓加定位面定位方式固定，滑臺(tái)支撐座通過(guò)螺栓與左側(cè)面定位固定在底座上。

箝位部分為圖1中左半部分，該部分通過(guò)箝位定子的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)滑臺(tái)上端蓋的卡緊與分離，墊片將箝位定子抬升至相應(yīng)高度，選用氧化鋁陶瓷片貼于接觸表面減少磨損。預(yù)緊裝置利用微分筒來(lái)調(diào)節(jié)箝位定子與滑臺(tái)上端蓋的初始間距,優(yōu)化箝位部分的正弦波振型，保證壓電馬達(dá)箝位性能的正常發(fā)揮。

2.2 工作原理

該裝置理想狀況下于1個(gè)工作周期內(nèi)可分為步進(jìn)與箝位2個(gè)連續(xù)的工作狀態(tài)。如圖2，標(biāo)紅部分為步進(jìn)過(guò)程各部分位移曲線與模型，此過(guò)程發(fā)生在0到 π/ω時(shí)間段內(nèi)(ω為運(yùn)動(dòng)角頻率)，箝位開關(guān)做圖中正弦波形式位移運(yùn)動(dòng)，但不觸碰滑臺(tái)，滑臺(tái)自由移動(dòng)；標(biāo)藍(lán)部分為箝位過(guò)程，此過(guò)程發(fā)生在 π/ω到2 π/ω時(shí)間段內(nèi)，箝位開關(guān)受到滑臺(tái)的限制從而使波形被修正為方波形式，如圖中箝位開關(guān)實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線，此時(shí)驅(qū)動(dòng)部分有后退趨勢(shì)(默認(rèn)步進(jìn)過(guò)程為前進(jìn))，但箝位開關(guān)卡緊使得滑臺(tái)無(wú)法后退(實(shí)際每個(gè)周期都會(huì)有微量后退)，保證了滑臺(tái)的定向移動(dòng)。

圖2 壓電電機(jī)工作過(guò)程Fig.2 Piezoelectric motor working process

能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)需要具備驅(qū)動(dòng)過(guò)程和箝位過(guò)程，并且兩者要有一定的時(shí)序關(guān)系即兩者激勵(lì)信號(hào)有一定的相位差，相位差的超前與滯后影響滑臺(tái)的前進(jìn)與后退。

根據(jù)步進(jìn)位移圖像，該壓電電機(jī)在工作時(shí)：

(1) 空載運(yùn)動(dòng)時(shí)，箝位開關(guān)在0到 π/ω的時(shí)間段內(nèi)處于松開狀態(tài)(實(shí)際是以正弦波位移形式運(yùn)動(dòng)，但未觸碰到滑臺(tái)側(cè)面)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)部分可向前產(chǎn)生位移；若箝位開關(guān)在 π/ω到2 π/ω時(shí)間段內(nèi)處于松開狀態(tài)，而0到 π/ω的時(shí)間段內(nèi)處于夾緊狀態(tài)，則驅(qū)動(dòng)部分可反向產(chǎn)生位移。

(2) 通過(guò)微分筒調(diào)節(jié)滑臺(tái)與箝位開關(guān)的初始間距，保證開關(guān)在驅(qū)動(dòng)部分速度為零時(shí)及時(shí)卡緊與松開，可有效避免沖擊與滑動(dòng)摩擦，保證電機(jī)的正常運(yùn)行。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

為了設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)部分與箝位部分諧振頻率以及驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可行性，利用有限元仿真軟件ANSYS對(duì)驅(qū)動(dòng)部分和箝位部分進(jìn)行仿真，在SOLIDWORKS中設(shè)計(jì)定子末端質(zhì)量塊尺寸保證驅(qū)動(dòng)部分與箝位部分諧振頻率一致，設(shè)計(jì)的成品模型各部分參數(shù)如表1所示。

表1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structure parameters

3.1 驅(qū)動(dòng)部分模態(tài)分析

圖3為驅(qū)動(dòng)部分的諧振模態(tài)仿真結(jié)果，滑臺(tái)上端蓋采用7070鋁合金，驅(qū)動(dòng)定子采用65錳鋼，壓電疊堆采用PZT-4。該仿真模型的六階諧振頻率為571 Hz。

圖3 驅(qū)動(dòng)部分六階諧振模態(tài)ANSYS仿真Fig.3 ANSYS simulation of the sixth resonant mode of the driving part

此階諧振頻率做圖4形式的振動(dòng)方式，能量可沿所需方向集中釋放，實(shí)際測(cè)量該模型此階諧振頻率約在540 Hz。

圖4 驅(qū)動(dòng)部分振動(dòng)方式Fig.4 Drive part vibration mode

3.2 箝位部分模態(tài)分析

圖5為箝位開關(guān)諧振模態(tài)仿真結(jié)果，箝位定子采用65錳鋼，壓電疊堆采用PZT-4。通過(guò)模態(tài)仿真分析得到箝位開關(guān)的三階諧振頻率為569 Hz，設(shè)計(jì)時(shí)保證箝位部分與驅(qū)動(dòng)部分諧振頻率近似，使兩者能同時(shí)于諧振態(tài)工作。

圖5 箝位部分三階諧振模態(tài)的ANSYS仿真Fig.5 ANSYS simulation of the third resonant mode of the clamping part

此階諧振頻率做圖6形式的振動(dòng)，該振動(dòng)方式在配合工作過(guò)程中可對(duì)滑臺(tái)起到較好的箝位作用。

圖6 箝位定子振動(dòng)方式Fig.6 Clamping stator vibration mode

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖7所示為箝位式壓電馬達(dá)實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器(DG1022U)的通道1、通道2產(chǎn)生2組正弦形式激勵(lì)信號(hào)，再經(jīng)功率放大器(LYF-800AS)將兩信號(hào)電壓值放大，結(jié)合數(shù)字示波器(TBS1102B)監(jiān)測(cè)的電壓值，調(diào)節(jié)功率放大器旋鈕獲得所需電壓值。利用激光位移傳感器(optoNCDT2300)記錄多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再用matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得滑臺(tái)上端蓋速度特性。

實(shí)物如圖8所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.7 Experimental facility

圖8 實(shí)物圖Fig.8 real products

4.2 步進(jìn)運(yùn)動(dòng)特性

4.2.1 準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)動(dòng)特性

圖9為改變激勵(lì)電壓的馬達(dá)無(wú)負(fù)載運(yùn)動(dòng)步距特性，圖10為激勵(lì)電壓改變時(shí)對(duì)應(yīng)的步進(jìn)速度曲線。在激勵(lì)頻率為250 Hz,箝位部分激勵(lì)滯后于驅(qū)動(dòng)部分激勵(lì) π/ω時(shí)，隨著激勵(lì)電壓的提升，步距和速度均得到提升，且速度隨著激勵(lì)電壓信號(hào)幅值的增長(zhǎng)呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。該馬達(dá)在電壓Vp-p為10 V時(shí),步距約為0.5 μm，速度約為0.13 mm/s；在電壓峰峰值Vp-p為70 V時(shí),步距約為5.8 μm，速度約為1.52 mm/s。

圖9 準(zhǔn)靜態(tài)不同電壓下位移與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.9 Quasi-static displacement and time curves under different voltages

圖10 準(zhǔn)靜態(tài)步進(jìn)速度與電壓關(guān)系曲線Fig.10 Quasi-static step speed and voltage relationship

圖11為準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)改變激勵(lì)信號(hào)頻率對(duì)步進(jìn)特性的影響，當(dāng)馬達(dá)工作于準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)改變激勵(lì)頻率步進(jìn)速度會(huì)得到提升。

圖11 準(zhǔn)靜態(tài)不同激勵(lì)頻率下步進(jìn)運(yùn)動(dòng)特性Fig.11 Quasi-static stepping motion characteristics under different excitation frequencies

4.2.2 諧振態(tài)運(yùn)動(dòng)特性

根據(jù)振動(dòng)力學(xué)，當(dāng)馬達(dá)工作于諧振態(tài)時(shí)箝位部分與驅(qū)動(dòng)部分分別受到自身系統(tǒng)物理參數(shù)的影響使得兩者位移波形相比于激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生不同程度的相位偏差，導(dǎo)致兩者最佳的配合狀態(tài)不再是激勵(lì)信號(hào)相差 π/ω。

如圖12所示，電壓峰峰值Vp-p為50 V時(shí)，改變箝位部分激勵(lì)信號(hào)的滯后角度，觀察其對(duì)步進(jìn)速度的影響。當(dāng)箝位部分激勵(lì)信號(hào)滯后于驅(qū)動(dòng)部分激勵(lì)信號(hào)93°時(shí)，馬達(dá)步距達(dá)到最大值22 μm,且速度達(dá)到最快11.3 mm/s 。

圖12 諧振態(tài)步進(jìn)速度與相位差關(guān)系曲線Fig.12 Relation curve between resonant state step velocity and phase difference

如圖13所示，諧振狀況下改變激勵(lì)電壓時(shí)步進(jìn)速度同樣會(huì)得到提升，當(dāng)電壓峰峰值Vp-p為70 V時(shí)步進(jìn)速度達(dá)16.9 mm/s，步距達(dá)32 μm，相比于準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度大大提升，實(shí)現(xiàn)了跨尺度運(yùn)行。

圖13 諧振態(tài)步進(jìn)速度與電壓關(guān)系曲線Fig.13 Resonant stepping speed and voltage relationship curve

4.3 箝位波形研究

本文認(rèn)為箝位部分可采用正弦波替代方波做激勵(lì)信號(hào)，展開如下實(shí)驗(yàn)：在準(zhǔn)靜態(tài)下，用300 Hz、電壓峰峰值Vp-p為50 V的正弦波與方波信號(hào)分別激勵(lì)箝位部分，同時(shí)驅(qū)動(dòng)部分保持300 Hz、電壓峰峰值Vp-p為50 V的正弦激勵(lì)，獲得驅(qū)動(dòng)部分位移波形如圖14所示。圖14(a)為正弦波做箝位激勵(lì)信號(hào)，圖14(b)為方波做箝位激勵(lì)信號(hào)，兩者波形雖有差別，但步距基本無(wú)區(qū)別，宏觀上兩者速度基本無(wú)差別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明正弦波于準(zhǔn)靜態(tài)下可取代方波作為箝位部分激勵(lì)信號(hào)且仍能滿足高分辨，于諧振態(tài)下工作時(shí)可突破方波波形失真的限制實(shí)現(xiàn)馬達(dá)高速輸出。

圖14 準(zhǔn)靜態(tài)下不同箝位激勵(lì)波形時(shí)驅(qū)動(dòng)位移波形Fig.14 Driving displacement waveform with different clamped excitation waveform under quasi-static condition

5 結(jié) 論

本文針對(duì)箝位式壓電電機(jī)箝位部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、無(wú)法于諧振狀態(tài)工作的缺點(diǎn)，提出采用正弦波作為箝位部分激勵(lì)信號(hào)的方式代替鋸齒波，大大簡(jiǎn)化箝位部分結(jié)構(gòu)的同時(shí)還可保證壓電馬達(dá)能于諧振狀態(tài)工作。

改進(jìn)后的壓電馬達(dá)于準(zhǔn)靜態(tài)250 Hz、電壓峰峰值Vp-p為10 V時(shí),步進(jìn)距離為0.5 μm，步進(jìn)速度約為0.13 mm/s;諧振態(tài)540 Hz、電壓峰峰值Vp-p為70 V時(shí),步距為32 μm，步進(jìn)速度達(dá)16.9 mm/s，兼顧了低頻高分辨率和高頻高速輸出以實(shí)現(xiàn)跨尺度工作。該研究對(duì)降低壓電馬達(dá)設(shè)計(jì)難度、拓展壓電馬達(dá)兼顧準(zhǔn)靜態(tài)高分辨和諧振態(tài)高輸出研究思路具有重要意義。