一種圓筒形壓電直線電機的設計及實驗研究

陳培洪 王 寅 黃衛清

南京航空航天大學,南京,210016

一種圓筒形壓電直線電機的設計及實驗研究

陳培洪 王 寅 黃衛清

南京航空航天大學,南京,210016

為研制具有高分辨率、寬頻響、大行程的壓電直線電機,提出了一種基于疊層壓電陶瓷的圓筒形壓電直線電機,并利用碟形彈簧對疊層壓電陶瓷進行預緊。在分析電機工作原理的基礎上對電機的結構進行了設計,并制作了原理樣機,對其進行了實驗研究。實驗測定結果如下:在一定頻率范圍內定子驅動足輸出振幅最大值為2μm,電機最大無負載速度為3.7mm/s,最大輸出推力為4.3N。

壓電直線電機;疊層壓電陶瓷;碟形彈簧;非共振;實驗研究

0 引言

近年來,壓電作動器在精密定位領域得到了關注[1]。壓電作動器以其高控制精度、快響應速度、高能量密度、不受電磁干擾、功耗低、無運動轉換機構和斷電自鎖等特點,在生命科學、醫學、生物工程、集成電路制造、超精密加工、光學、測量技術和微機電系統等領域有著廣闊的應用前景[2-3]。

壓電直線電機是利用壓電元件的逆壓電效應激發彈性體的微幅振動并通過摩擦將微幅振動轉換成動子宏觀的直線運動,從而直接推動負載。直線超聲電機定子一般工作在共振狀態,利用共振放大驅動足的振幅,以獲得更大的速度和位移輸出。共振狀態受溫度影響較大,定子共振頻率會隨溫度的改變而發生偏移,導致工作頻率漂移,影響電機的正常運行。隨著壓電陶瓷制作工藝的發展,為克服壓電陶瓷輸出應變小的阻礙,疊層壓電陶瓷應運而生[4]。疊層壓電陶瓷在較小的電壓下能有較大的位移輸出,無需共振便有足夠的振幅來驅動動子,從而提高了作動器的穩定性。此外,疊層壓電陶瓷的輸出振幅與輸入電壓成正比,理論上可以達到無限小的分辨率,因此,利用疊層壓電陶瓷制作的作動器可以獲得較高的精度和可控性。目前,國外某些研發機構已經應用疊層壓電陶瓷研制出壓電作動器,并實現了工業應用[5-6]。

本文基于疊層壓電陶瓷研制了一種圓筒形壓電直線電機,在分析電機工作原理的基礎上對電機結構進行了設計,并制作樣機進行了實驗研究。國內黃衛清等[7]、李艷林等[8]已做過這方面的研究,其中黃衛清等[7]研制的電機結構利用的是杠桿原理,驅動足沿壓電陶瓷輸出方向位移減半,而本文是利用壓電陶瓷直接輸出位移,這與黃衛清等[7]研制的電機結構不同。實驗結果表明該電機可在相當寬的頻帶內穩定運行。

1 電機結構和工作原理

本文提出的電機結構如圖1所示。圖1a所示為壓電作動器結構,由驅動軸、碟形彈簧、鋼球、陶瓷支撐、疊層壓電陶瓷、前端蓋、后端蓋及圓筒組成。圖1b所示為電機整體結構,由定子、夾持裝置、底板及動子組成,其中定子由兩個軸線成90°的圓筒形壓電作動器通過驅動足連接而成,并通過夾持裝置固定在底板上。

圖1 電機結構圖

疊層壓電陶瓷對正弦信號的位移響應曲線類似于正弦波形[9-10]。通過施加壓電陶瓷兩路相位差90°正弦激勵信號,激發兩作動器1和2的壓電陶瓷分別沿驅動軸的軸線方向振動,這兩壓電陶瓷的位移響應也為正弦波形,且空間上相差90°。設作動器1、2的壓電陶瓷的激勵信號對應的振動位移響應函數分別為式中,A、B為對應壓電陶瓷的位移響應幅值(由于裝配誤差導致的壓電陶瓷的位移響應幅值存在差異);α、β為對應激勵響應的相位角。

可見當兩作動器壓電陶瓷振動位移響應相位差為90°,即對這兩組壓電陶瓷施加相位差為90°的兩相驅動電壓時,這兩個位移響應在驅動足端部形成橢圓運動,改變激勵信號的相位,可實現電機的正反轉。驅動足端部質點橢圓運動過程如圖2所示。

圖2 一個周期內驅動足的運動軌跡

從驅動足運動軌跡圖2可看出,正弦激勵信號驅動形成的驅動足軌跡為橢圓,驅動足在整個周期內連續運動。從(1)到(2)的運動過程中,驅動足推動轉子運動,從(3)到(4)的運動過程中,驅動足與轉子脫離接觸,整個運動過程中由彈簧提供定子與動子之間的預壓力。

2 電機結構設計

2.1 定子結構設計

2.1.1 預緊碟簧的選擇

壓電陶瓷采用江蘇聯能電子技術有限公司生產的QD-YD系列疊層壓電陶瓷,其規格尺寸為6.5mm×6.5mm×5mm,根據其性能要求,施加預緊力在300～400N范圍,查《機械零件設計手冊》中關于碟簧的選型,綜合考慮碟簧的外廓尺寸及變形量要求,選用參數為D=16mm、d=8.2mm 、t=0.4mm 、h0=0.5mm 、H=0.9mm 的碟簧作為預緊碟簧[11]。

通過實驗的方法,采用兩片碟簧對合組合方式,對所選碟簧進行剛度測量實驗。實驗結果表明,所選碟簧滿足在變形量為0～1mm范圍內提供0～400N彈性力的要求,所用疊層壓電陶瓷預緊力符合要求。測得的碟簧加載與其高度變化曲線及加載裝置如圖3所示。

圖3 碟形彈簧加載實驗

從圖3a中可看出,碟簧在受到300～400N預緊力時其變形量呈線性變化,而碟簧本身是非線性彈性元件(從剛度曲線圖中可看出)。實驗過程中也發現,在這曲線段內碟簧加載時不會出現碟簧變形相反的現象,即不會出現碟簧提供彈性力不足的現象。采用此參數的兩片碟簧對合組合方式滿足碟簧實施微量調節來施加疊層壓電陶瓷預緊力的要求,故選取此碟形彈簧作為預緊彈性元件。

2.1.2 預緊結構設計

實驗表明,根據疊層壓電陶瓷的輸出特性,疊層壓電陶瓷激發的振幅大小與激勵電壓和驅動頻率有關,而在一定的壓力作用下,疊層壓電陶瓷輸出位移增加,遲滯度減小[12]。因此壓電作動器需要設計適當的結構給壓電陶瓷施加一定的預緊力,而為了利用先前通過實驗的方法方便測量壓電陶瓷的預緊力,同時又能夠通過設計一適當的機構找出壓電陶瓷合適的預緊力,將陶瓷預緊部分結構設計成預緊力可調的結構。預緊力結構圖見圖4。

由上述碟簧剛度實驗分析可知,采用兩片碟簧對合組合方式施加壓電陶瓷預緊力,其振動位移由陶瓷支撐經鋼球傳遞至驅動軸輸出。壓電陶瓷的位移輸出數量級為微米級,其陶瓷預緊部分的碟簧變形需滿足:

圖4 預緊力結構圖

式中,F為碟簧產生的彈性力,即施加到壓電陶瓷上的預緊力;Kmax為碟簧變形最大剛度。

如F/K max小于1μm,將影響壓電陶瓷的位移輸出。

驅動軸與前端蓋之間為間隙配合,在電機工作時允許驅動偏轉。采用鋼球連接方式,一是保證壓電陶瓷的位移輸出沿驅動軸線方向;二是避免電機工作時因驅動偏轉影響陶瓷的位移輸出,進而影響電機的輸出性能;三是避免陶瓷承受切向作用力。通過調節前端蓋進給量使碟簧產生變形,控制其調節量以提供合適的預緊力。

2.2 夾持結構設計

電機夾持裝置不但承擔定子與動子的連接,而且具有加載、調節預壓力和限制定子自由度的作用,理想的夾持結構應限制定子在空間上的5個自由度,僅保留一個自由度并在這個自由度方向上采用合適剛度的彈性支撐。而因機構裝配關系及零件加工誤差影響,實際夾持結構難以做到只保留定子一個自由度要求,即僅保留y方向平動自由度,其他所有自由度都受限制,圖5所示為實際夾持結構模型。

夾持裝置對定子不完全約束的3個自由度分別對應3個剛度k1、k2、k3,而這3個量的大小及相對關系將影響整個電機的性能。經理論分析,k1、k2、k3需滿足以下條件:

圖5 實際夾持結構模型圖

由上述對夾持結構要求的分析,本文設計的夾持結構如圖6所示。

圖6 實際夾持結構圖

采用3個圓柱滾子作為支撐點,將電機固定在夾持裝置上并安裝在底板上,整個電機及夾持裝置只能沿y方向移動。通過使預壓力彈簧變形產生彈性力提供電機定子與動子之間所需預壓力,預壓力大小可由力傳感器測量,調節其加載大小,使電機工作在穩定狀態。

3 電機實驗研究

3.1 電機的輸出特性

根據上述設計制作了電機樣機,其壓電作動器實物圖和電機整體實物圖見圖7。

壓電作動器結構尺寸總長為54mm,直徑22mm,除前端蓋采用黃銅外,其他都為硬鋁。電機驅動足采用45鋼,所用動子為鋼性材料導軌,其夾持裝置及底板均采用硬鋁。

圖7 電機實物圖

3.1.1 定子驅動足輸出振幅與頻率的關系

壓電陶瓷輸出位移即為作動器驅動沿軸線方向的輸出振幅,與驅動電壓成正比關系。通過使用Po ly tec公司的PSV-300F-B型高頻掃描激光測振系統,測量定子在不同電壓下驅動足振幅隨頻率的變化。給壓電陶瓷分別施加60V、90V、110V,正向偏置分別為30V、45V、55V 的正弦激勵信號,測量驅動足端部與動子接觸點的振幅響應,測量結果如圖8所示。

圖8 驅動足振幅-頻率曲線

由圖8可知,隨驅動電壓的增大,驅動足振幅增大,當驅動信號頻率小于1.1kHz,電壓為110V時,驅動足端部振幅在一定頻率范圍內保持不變,且最大幅值為2μm。

3.1.2 電機速度與頻率的關系

電機輸出速度取決于驅動足的振動速度,而振動速度由振幅和頻率共同決定。圖9所示為電機運行速度隨頻率變化的曲線。從圖9中可以看出,電機速度隨頻率的增大而增大,但當頻率大于1.1kH z時,速度又開始減小。當電壓為 100V,驅動頻率為1.1kH z時,電機最大無負載速度為3.7mm/s。

圖9 電機速度-頻率曲線

3.1.3 電機機械特性曲線

圖10所示為電機的機械特性曲線。從圖10中可以看出,電機速度隨輸出推力的增大而減小,電機最大輸出推力為 4.3N,此時驅動頻率為1.05kHz,驅動電壓為100V。

圖10 電機機械特性曲線

3.2 討論與分析

由于電機工作在非共振狀態,壓電陶瓷的振幅決定了驅動足端部的振幅,因此可以認為驅動足端部振幅應與壓電陶瓷類似,在一定頻率范圍內保持不變(圖8)。文獻[7]中電機驅動足結構是利用杠桿將壓電陶瓷輸出位移傳輸到驅動足,其振幅實際減小了一半,與其相比,本文利用壓電陶瓷位移直接輸出到驅動足端部,提高了驅動足在垂直于動子方向的橫向輸出振幅。而驅動足端部沿作動器驅動方向的振幅影響電機的輸出力,即輸出振幅大,驅動足與動子接觸時間長,接觸面增大,致使摩擦驅動所需的正壓力增大,即增大了摩擦驅動力,使電機輸出力增大。因此,提高驅動足端部振幅是增大電機輸出力的關鍵,而疊層壓電陶瓷本身的特性決定了其輸出振幅的大小,主要與以下兩點相關:

(1)提高壓電陶瓷的驅動電壓。針對疊層壓電陶瓷要求的低壓驅動,驅動電壓不能超過110V,否則陶瓷發熱會嚴重影響性能輸出。

(2)提供壓電陶瓷合適的預緊結構剛度。在電壓一定的條件下,驅動足的振幅與電機自身結構剛度有關,即與施加壓電陶瓷的預緊力結構剛度相關。分析并找出合適的預緊結構剛度,是提高驅動足輸出振幅的前提。

由上述分析可知,電機運行速度與驅動足端部沿作動器驅動方向振動速度成正比,所以當驅動足在這一方向的振幅不變時,可以認為電機的輸出速度與驅動足端部的振動頻率成正比,即與激勵信號的頻率成正比。從圖9可以看出,電機在實際運行情況下動子的運動速度近似與驅動頻率成線性關系,由此可知,非共振式電機可在一定頻率范圍內任意頻率點工作且工作頻率可調,這與共振式電機只能在定子共振頻率附近工作有很大的不同。而當驅動頻率大于1.1kH z時,電機速度減小,分析原因是由于疊層壓電陶瓷固有電容很大,給驅動器造成很大負擔,驅動器發熱嚴重,而且由于電機共振頻率低,容易發生共振,影響電機運行的穩定性。與文獻[7]中電機所使用的壓電陶瓷相同,當驅動頻率大于2kHz時,因超出了驅動器的負載能力,所以電機將無法正常運行。

根據電機的機械輸出特性曲線分析可知,由于電機的輸出推力除了與驅動足端部振幅有關外,還與預壓力和摩擦因數有關,而摩擦因數取決于驅動足和轉子的材料,這樣,在激勵電壓和頻率一定的情況下,施加于驅動足與轉子間預壓力的大小決定了輸出推力的大小。從圖10可以看出,隨著電機輸出推力的增大,速度呈現出由快到慢的變化趨勢。

4 結語

本文使用疊層壓電陶瓷設計并制作了一種圓筒形壓電直線電機,分析了電機的工作原理,對電機的結構進行了設計。該電機具有結構簡單、裝配方便等特點。在工作頻率為1.1kH z時,電機的最大輸出速度為3.7mm/s,最大輸出推力為4.3N。

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Study on Design and Tests of a Piezoelectric Linear Motor Using Columnar Actuator

Chen Peihong Wang Yin Huang Weiqing
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016

In order to develop piezoelectric linear m otor w ith high resolution,wide frequency response and long stroke,a cy linder type piezoelectric linear motor using piezoelectric stacks which were preloaded by disc sp rings was p roposed.The operating p rinciples o f the m otor were presented,them otor structurewas designed,a prototype w asmade and the experimental study was proceeded.The experimental results show thatw ithin a certain range of frequency the vibration amp litude of the stator driving foot is 2μm,the m aximum no-load velocity of the motor is 3.7mm/s,and the maxim um thrust force of themotor is 4.3N.

piezoelectric linear motor;piezoelectric stack;disc sp ring;non-resonant vibration;experimental study

TM 356

1004—132X(2011)12—1484—05

2010—08—17

國家自然科學基金資助重點項目(50735002)

(編輯 何成根)

陳培洪,男,1985年生。南京航空航天大學精密驅動研究所碩士研究生。研究方向為新型非共振式壓電直線電機。王 寅,男,1986年生。南京航空航天大學精密驅動研究所博士研究生。黃衛清,男,1965年生。南京航空航天大學精密驅動研究所教授、博士研究生導師。