新型塔形壓電式粘滑直線作動器

陳乾偉，鞠全勇，黃衛清，時運來

(1.金陵科技學院，南京211169;2.南京航空航天大學，南京210016)

0 引 言

隨著超精密加工與測量儀器、半導體技術、微裝配和生物醫學工程微操作機器人等現代高新技術的飛速發展，對直線驅動技術提出了許多新的要求，如大行程、高速度和納米級定位精度、功率密度大、無電磁干擾等。由于壓電作動器在體積、精度、響應速度、輸出力及功率密度等方面具有明顯的綜合優勢，因此滿足上述要求的關鍵是研發大行程、高速度和納米級定位精度的壓電直線作動器［1-6］。

眾所周知，大行程、高速度與高定位精度是矛盾的，但是壓電式粘滑作動器卻能夠兼顧這幾方面的性能:它具有若干厘米以上的行程以及若干mm/s速度的同時，還具有小于5 nm 的超高定位精度;此外，它結構簡單、緊湊并能夠提供較高的運動剛度。因此，壓電式粘滑作動器特別適用于諸如微操作之類的高技術領域［7-8］。

基于壓電式粘滑作動器的優異性能以及在現代高新技術領域的廣泛應用前景，我們研發了一種塔形壓電式粘滑直線作動器。

1 作動器設計

1.1 塔形定子設計

由于“塔形”結構具有“聚焦”能量的優點，因此設計的電機定子采用了如圖1 所示的塔形結構。圖1 的塔形定子含有兩個正方形截面的柱形結構，這兩個柱形結構在端部被錐形的驅動足聯接，兩個柱形結構的外表面粘貼有4 片壓電陶瓷。

要構造粘滑作動器，需要定子在鋸齒波驅動信號的激勵下，定子驅動足端部產生平行于動子運動方向的非對稱切向振動。具體到本文研究的塔形結構定子，選擇如圖2 所示的非共振狀態下強迫彎曲振動來產生所需要的非對稱切向振動。

圖1 塔形定子結構示意圖

圖2 塔形定子切向非共振強迫振動的振型

為了實現圖2 的非共振強迫振動的振型，設計了如圖3 所示的壓電陶瓷片的極化布置方案。整個塔形定子共用4 片壓電陶瓷，沿厚度方向極化，全部4 片壓電陶瓷構成A 相，通過對A 相施加鋸齒波驅動信號就可以得到所需的切向振動。

圖3 壓電陶瓷片的極化布置方案圖

利用此切向振動構成粘滑作動器的工作原理如圖4 所示。當給定子的A 相施加先緩慢上升再快速下降的周期性連續鋸齒波信號，定子驅動足將產生緩慢正向運動快速反向運動的非對稱振動，驅使動子正向運行;當鋸齒波驅動信號反相，定子驅動足將相應產生反相的非對稱振動，驅使動子反向運行。

圖4 塔形定子粘滑運動機理

根據上述設計方案制作的塔形定子樣機如圖5所示。塔形定子尺寸20 mm×6 mm×30 mm，質量20 g。

圖5 塔形定子樣機

1.2 作動器整體結構設計

塔形定子制作好之后，還需要完成以下工作才能構成塔形作動器。設計并制作相應的動子;將定子與動子安裝在共同的基座上;選擇合適的預壓力使定子與動子相互接觸。這些工作就是作動器的整體結構設計，整體結構設計得合理與否，將嚴重影響到作動器的運行穩定性和定位精度。

由于一般采用購買的商品導軌或平臺作為直線作動器的動子，因此在作動器整體結構設計中，主要考慮兩個問題:一是定子與動子的安裝;二是定子與動子之間預壓力的施加。

在參考Nanomotion 電機整體結構［9］的基礎上，設計了如圖6 所示的塔形定子驅動的基于三滾子結構的一維運動平臺，運動平臺行程30 mm。

圖6 塔形定子驅動的一維運動平臺

這種結構主要由三個滾子(軸承)、滑板、鉸鏈、基座、預壓力加載機構、塔形定子及一維運動平臺構成。由于采用了三滾子結構，再加上側向的螺栓和蝶簧的作用，在消除定子安裝側隙的同時，使得定子安裝夾持的切向位移剛度?法向位移剛度，非常有利于作動器的穩定運行和精密定位［10］。

2 實 驗

2.1 模態實驗

采用德國Polytec 公司生產的PSV300F - B 型高頻掃描激光測振系統對塔形定子進行模態實驗。實驗結果如圖7 和表1 所示。

從實驗結果可知:

(1)在0 ～13 000 Hz 的頻率范圍內，彎振模態幅頻曲線沒有共振峰值，其彎曲振動屬于非共振強迫振動;

(2)在0 ～13 000 Hz 的頻率范圍內，其非共振強迫振動振型與設計所選擇的振型一致;

(3)在0 ～13 000 Hz 頻率范圍內，并且在峰峰值80 V 電壓定頻激勵下，測得5 個典型采樣點的非共振強迫彎曲振動幅值為30 ～50 nm，驗證了stick-slip principle 運行的可行性。

圖7 塔形定子y-z 面內非共振強迫彎曲振動的振型

表1 80 V 電壓塔形定子非共振強迫振動下不同激勵頻率對應的驅動足切向振幅

2.2 機械特性實驗

塔形作動器驅動信號平臺由信號發生器和功率放大器構成。實驗時，信號發生器發出單相鋸齒波電壓信號，經功率放大器放大后，輸出驅動塔形作動器。

圖8 為塔形作動器測試系統，它主要由圖6 的一維運動平臺和Renishaw XL-80 激光干涉儀兩部分構成，用來測試塔形作動器的性能指標。激光干涉儀系統精度為±0.5×10-6，激光穩頻精度為±0.05×10-6，測量范圍0 ～80 m，分辨率為1 nm，最大測量速度為4 m/s，最高采樣頻率為50 kHz。測試實驗在10萬等級潔凈房環境中進行。

圖8 塔形作動器測試系統

圖9 是在鋸齒波激勵信號的峰峰值電壓400 V、預壓力為6 N 條件下塔形作動器的機械特性曲線。由圖9 中可以看出:(1)作動器穩定運行的頻域很寬，在1 ～14 000 Hz 范圍內，都可以采用鋸齒波對作動器進行正反向驅動，在8 000 Hz 的驅動效果最好;(2)在1 ～8 000 Hz 范圍內，作動器的運行速度隨著驅動信號頻率的升高而單調上升;在8 000～14 000 Hz 范圍內，作動器的運行速度隨著驅動信號頻率的升高而單調下降;(3)驅動頻率在8 000 Hz時作動器速度最大，為1.2 mm/s;在1 Hz 時作動器速度最小，為35 nm/s。

圖9 塔形作動器機械特性曲線

3 結 語

本文研發了一種塔形壓電式粘滑直線作動器。該作動器由塔形定子和動子構成，當輸入鋸齒波激勵信號時，塔形定子利用y-z 面內強迫彎曲振動來激發定子驅動足產生非對稱切向振動，從而驅動動子正反向運動。

經測試，在鋸齒波激勵信號的峰峰值電壓400 V、預壓力6 N 的條件下驅動頻率在1 ～14 000 Hz范圍內，該作動器能夠穩定運行;驅動頻率在8 000 Hz 時作動器速度最大，為1.2 mm/s;驅動頻率在1 Hz 時作動器速度最小，為35 nm/s。

［1］ ZHAO Chun -sheng. Ultrasonic motors technologies and applications［M］.Beijing:Science Press，2011:1 -19.

［2］ UEHA S，TOMIKAWA Y. Ultrasonic motors theory and applications［M］.Oxford:Oxford University Press，1993:160 -190.

［3］ 陳乾偉，時運來，黃衛清.新型塔形直線超聲電機［J］. 中國電機工程學報，2010，36(30):27 -32.

［4］ 陳乾偉，黃衛清.單相斜軌塔形直線超聲電機設計與實驗［J］.振動工程學報，2011，24(3):260 -267.

［5］ 陳乾偉，黃衛清.塔形超聲電機的突變結構彈性支撐［J］.振動與沖擊，2012，31(24):74 -81.

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［7］ BREGUET J M，CLAVEL R.Stick and slip actuators:design，control，performances and applications［J］.IEEE International Symposium on Micromechatronics and Human Science，1998:89 -95.

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［10］ 于會民，王寅，陳乾偉，等. 三滾子結構夾持的直線型超聲電機［J］.機械科學與技術，2012，31(2):250 -254.