壓電精密直線步進(jìn)電機(jī)研究與原理分析

　　曾群

　　摘要：提出一種新型的定子主動箝位方式壓電精密直線步進(jìn)電機(jī)，解決了壓電驅(qū)動電機(jī)箝位不牢固、步進(jìn)頻率較低、行程小、速度低等問題。研制的精密電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高頻率(100Hz)，高速度(30mm/min)，大行程(>20mm)，高精度，大驅(qū)動力(100N)等特點(diǎn)，大幅度提高了壓電型步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動性能。研制的該步進(jìn)電機(jī)在精密運(yùn)動、微操作、光學(xué)工程、精密定位等精密工程中具有一定的應(yīng)用價值。

　　關(guān)鍵詞： 壓電陶瓷驅(qū)動器;定子箝位;步進(jìn)電機(jī);薄壁柔性鉸鏈;大行程

　　1 引言

　　近年來，隨著微/納米技術(shù)的迅猛發(fā)展 , 在光學(xué)工程、微電子制造、航空航天技術(shù)、超精密機(jī)械制造、微機(jī)器人操作、地震測量、生物、醫(yī)學(xué)及遺傳工程等技術(shù)領(lǐng)域的研究都迫切需要亞微米級、微/納米級的超精密驅(qū)動。傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)功率—重量比低，而且電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)后需要減速裝置變速，致使傳動系統(tǒng)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)累贅。顯然，現(xiàn)有技術(shù)已不能滿足工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的需求。隨著科技的發(fā)展，人們研制出利用功能材料構(gòu)成的新型電機(jī)來實(shí)現(xiàn)超精密驅(qū)動，近年來此研究已取得了一系列成果，如記憶合金電機(jī)、壓電效應(yīng)電機(jī)、電致伸縮電機(jī)和磁致伸縮電機(jī)等。

　　2 基本原理及結(jié)構(gòu)

　　2.1 定子箝位方式

　　本文研制的壓電直線步進(jìn)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖 1所示：主要由定子箝位體和直線動子組成，定子箝位體上安裝有箝位動力壓電疊堆，直線動子上安裝有驅(qū)動動力壓電疊堆，各壓電疊堆協(xié)調(diào)工作，使直線動子在定子導(dǎo)向孔中運(yùn)動。箝位機(jī)械結(jié)構(gòu)原理如圖 2 所示：定子體固定不動，壓電疊堆在正向電壓作用下伸長推動箝位塊向下運(yùn)動，壓緊直線動子，從而實(shí)現(xiàn)箝位，該雙側(cè)薄壁鉸鏈結(jié)構(gòu)在鉗位過程中幾乎不產(chǎn)生阻力作用，由于雙薄壁鉸鏈的變形和橫向約束作用，使箝位塊只產(chǎn)生 y 向的運(yùn)動，而不產(chǎn)生 x 向運(yùn)動，從而在鉗位過程中對動子不產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)動力，使箝位牢靠、穩(wěn)定。

　　2.2 直線驅(qū)動動子結(jié)構(gòu)

　　為實(shí)現(xiàn)直線動子具有大的輸出載荷，并且具有較高的運(yùn)動頻率，取得剛度適中的中間柔性鉸鏈很重要。直線動子加工出雙薄壁柔性鉸鏈，并沿中心線對稱分布，中間安放用于驅(qū)動的壓電疊堆，當(dāng)壓電疊堆伸長時由于柔性鉸鏈的變形使直線動子沿軸線方向伸長而不會相對軸線偏轉(zhuǎn)。

　　3 設(shè)計及制作

　　3.1 箝位參數(shù)設(shè)計

　　在步進(jìn)驅(qū)動中，箝位性能的好壞直接影響步進(jìn)運(yùn)動的效果，箝位性能參數(shù)主要為動力學(xué)參數(shù)設(shè)計，包括箝位力參數(shù)F 和箝位響應(yīng)頻率參數(shù)P1。大的箝位力可以使箝位牢靠、穩(wěn)定，不會因沖擊而產(chǎn)生位移，從而提高步進(jìn)重復(fù)性精度;高的箝位響應(yīng)頻率可以使箝位靈敏，實(shí)現(xiàn)高頻步進(jìn)運(yùn)動，從而形成高速運(yùn)動。假設(shè)箝位塊質(zhì)量為M，可認(rèn)為是集中質(zhì)量即質(zhì)點(diǎn)。假設(shè)系統(tǒng)在自由振動時的撓度曲線和系統(tǒng)中間有集中靜載荷Mg作用下的靜撓度曲線一樣，則在距離固支點(diǎn) x 距離處的任一單元的位移表達(dá)式為

　　下面用瑞利能量法對圖4進(jìn)行分析：設(shè)ρ為薄壁鉸鏈單位長度質(zhì)量，整個薄壁鉸鏈的動能為

　　因?yàn)槭呛喼C振動，可設(shè)ym =Asin(ωnt + ϕ)則y m = Aωn cos(ωnt + ϕ)

　　式中k為薄壁鉸鏈的彈性剛度系數(shù)，對于兩端固定薄壁鉸鏈帶有中間質(zhì)量M 時:

　　式中 EI 為薄壁鉸鏈截面抗彎曲剛度系數(shù)。在保證箝位牢靠、剛性滿足要求的前提下，最大限度的減小 M 的質(zhì)量，將能顯著提高系統(tǒng)的固有頻率。

　　由于薄壁鉸鏈截面的影響，使系統(tǒng)的抗彎剛度系數(shù) EI 引起的抗彎力 Fe<

　　Ff = Ks ⋅ (F - Fe ) ≈Ks ⋅ F

　　式中 Ks為鉗位塊與動子間的靜摩擦系數(shù)。在F的選取中，壓電疊堆的預(yù)緊力Fp，壓電疊堆與箝位塊之間的連接牢固程度，箝位塊與動子之間的間隙大小都對F起很大的影響。壓電疊堆有很高的響應(yīng)頻率(幾萬Hz)，因此盡可能提高箝位機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率可使整個系統(tǒng)的工作頻率P提高。另外，在工作中，箝位系統(tǒng)的響應(yīng)頻率P1和直線動子系統(tǒng)的響應(yīng)頻率是一致的，所以箝位系統(tǒng)的固有頻率和直線動子系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)盡量趨于一致。

　　3.2 直線動子參數(shù)設(shè)計

　　直線動子是整個系統(tǒng)的運(yùn)動部件和動力輸出裝置，其參數(shù)設(shè)計中同樣包括推力參數(shù) F 、步進(jìn)量參數(shù)∆L 和頻率參數(shù) P2。該系統(tǒng)的變形如圖 5 所示，當(dāng)左側(cè)箝位后，可看作緊固連接，右側(cè)為在力的作用下產(chǎn)生變形，兩側(cè)的薄壁鉸鏈可看作兩串連的彈簧模型。參數(shù)之間關(guān)系為

　　F –Fw =( K1+K1)∆L

　　式中 F 為壓電疊堆產(chǎn)生的有效推力; Fw 為有效輸出載荷; K1 為薄壁鉸鏈動力學(xué)模型的當(dāng)量彈性系數(shù); ∆L 為直線動子的變形位移量。因?yàn)樵擈?qū)動過程非常復(fù)雜，涉及到壓電疊堆的響應(yīng)時間，輸出載荷的加速度變化，內(nèi)部能量損耗等，所以這里采用了當(dāng)量彈性系數(shù) K1、有效推力 F、有效輸出載荷 Fw等對系統(tǒng)進(jìn)行描述。該驅(qū)動部分運(yùn)動時，壓電疊堆具有與箝位部分相同的運(yùn)動頻率，所以，為了提高整體系統(tǒng)的頻率，應(yīng)盡可能的提高直線動子機(jī)械系統(tǒng)本身的固有頻率。但是直線動子部分與定子箝位部分不同，定子箝位系統(tǒng)的固有頻率一旦設(shè)計完成，是一個固定不變的量，而直線動子系統(tǒng)的固有頻率則隨著輸出載荷的變化而變化，是一個變化的量。由材料力學(xué)和振動力學(xué)知識可以推導(dǎo)出其變化函數(shù)關(guān)系:

　　式中 M 為薄壁鉸鏈一側(cè)直線動子質(zhì)量; Mw 為外部載荷物體質(zhì)量; F0 為薄壁鉸鏈上的預(yù)緊力; e 為直線動子的振幅。設(shè)計直線動子時，在滿足強(qiáng)度條件和步進(jìn)位移量的前提下，應(yīng)盡量提高薄壁鉸鏈的等效彈性系數(shù) K1，減小直線動子質(zhì)量 M，使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。

　　3.3 機(jī)構(gòu)制作

　　由于該步進(jìn)電機(jī)要求具有非常高的 度，壓電疊堆的位移量也在微米級，因此在該系統(tǒng)的制作中，應(yīng)充分考慮以下幾個方面的問題。

　　機(jī)械加工制作：機(jī)械加工的精度直接決定著該電機(jī)的步進(jìn)精度，其中，直線動子和箝位定子之間的配合間隙精度顯得尤為重要，在加工中，采用二者配合加工，并對其接觸表面進(jìn)行研磨，使其自由狀態(tài)下間隙不大于 3µm;另外，薄壁鉸鏈部分的加工采用線切割工藝，薄壁鉸鏈在加工中要保持第 4 期 劉建芳等： 壓電驅(qū)動精密直線步進(jìn)電機(jī)研究 105對稱，從而在變形中不致產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。

　　壓電疊堆的安裝和連接：壓電疊堆安裝中要保證有一定的預(yù)緊力，這樣可保證對 PZT 位移量的充分利用，其預(yù)緊程度可通過加預(yù)緊力時產(chǎn)生的電壓來測量。當(dāng)加預(yù)緊力時，通過高精度電壓表測量其輸出電壓，當(dāng)電壓值在 2-3V 時，可視為預(yù)緊效果良好。該壓電步進(jìn)電機(jī)在工作時，壓電疊堆的伸縮是脈沖性質(zhì)的，因此壓電疊堆( PZT)與機(jī)械結(jié)構(gòu)的連接緊密程度對系統(tǒng)的工作性能起至關(guān)重要的作用。

　　工作過程預(yù)緊：在工作過程中，剛剛預(yù)緊的壓電疊堆可能由于高頻的振動和沖擊造成松動，所以在工作過程中要經(jīng)過多次預(yù)緊才能達(dá)到最終預(yù)緊的效果。

　　幾種部件材料選取及材料性能：定子箝位體采用 65Mn 結(jié)構(gòu)鋼，該材料具有較高的彈性模量;直線動子同樣采用 65Mn 材料。壓電疊堆采用日本NEC 公司生產(chǎn)的型號為 AE0505D16 的壓電陶瓷,該陶瓷性能穩(wěn)定，工作可靠。

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