兩級復(fù)合放大箝位步進(jìn)壓電直線電機(jī)*

韓 路 ，黃衛(wèi)清,3,王 寅

(1.南京航空航天大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京，210016)(2.華僑大學(xué)機(jī)電及自動化學(xué)院 廈門，361021)(3.廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院 廣州,510006)

兩級復(fù)合放大箝位步進(jìn)壓電直線電機(jī)*

韓 路1，黃衛(wèi)清1,3,王 寅2

(1.南京航空航天大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京，210016)(2.華僑大學(xué)機(jī)電及自動化學(xué)院 廈門，361021)(3.廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院 廣州,510006)

針對尺蠖式電機(jī)運(yùn)行過程中導(dǎo)軌與動子對加工與裝配要求過高的問題，提出了一種尺蠖式原理的兩級復(fù)合放大箝位步進(jìn)壓電直線電機(jī)，分析了電機(jī)的工作原理，設(shè)計了電機(jī)箝位機(jī)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu)。利用有限元軟件對箝位機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，得到柔性結(jié)構(gòu)的最佳尺寸。制作樣機(jī)并設(shè)計實(shí)驗(yàn)，得到了電機(jī)的速度特性曲線并進(jìn)行分析。樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方案的可行性，并且在電壓峰峰值為100 V、頻率為150 Hz的方波信號激勵下，電機(jī)的空載速度可達(dá)1.23 mm/s，最大推力可達(dá)1.6 N。該電機(jī)有效降低了驅(qū)動器的加工與裝配要求，增強(qiáng)了電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

直線電機(jī)； 箝位機(jī)構(gòu)； 疊層壓電疊堆； 驅(qū)動足

引 言

近年來,壓電材料受到各界的關(guān)注，利用壓電材料作為驅(qū)動的壓電驅(qū)動器在精密驅(qū)動和定位領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。壓電直線電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、精度高和能夠自鎖等優(yōu)點(diǎn)引起了學(xué)者們的重視[3-7]。

國內(nèi)外對壓電直線電機(jī)的研究取得了一定的進(jìn)展，研發(fā)了各種類型的電機(jī)。其中，尺蠖式壓電直線電機(jī)以大行程、高分辨率和較大驅(qū)動力等特點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。該類型電機(jī)通常具有兩個箝位裝置和一個驅(qū)動裝置，通過模仿自然界中蠕蟲的爬行方式，即“箝位-驅(qū)動-箝位”的運(yùn)動方式，對壓電疊堆微小步距進(jìn)行累加，從而實(shí)現(xiàn)雙向步進(jìn)運(yùn)動，在微納米級驅(qū)動定位中具有廣闊的應(yīng)用背景[8-9]。目前，國內(nèi)出現(xiàn)的尺蠖式電機(jī)結(jié)構(gòu)多種多樣，但多數(shù)電機(jī)由于壓電疊堆的變形量小于現(xiàn)有加工水平下的加工誤差，所以很難保持動子與導(dǎo)軌之間的間隙，比較難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的尺蠖式運(yùn)動,其運(yùn)行的穩(wěn)定性受到加工誤差和裝配誤差的影響比較大[10]。潘雷等[11]提出一種多足箝位式壓電直線電機(jī)，通過在原有兩個箝位單元的附近各增加一個輔助箝位單元，一定程度上降低了加工與裝配精度的要求。但因?yàn)樵黾芋槲粏卧獙?dǎo)致了整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對各個箝位信號的控制以及操作要求較高。

筆者在文獻(xiàn)[12-13]的研究基礎(chǔ)上，提出了一種新型結(jié)構(gòu)的兩級復(fù)合放大箝位步進(jìn)壓電直線電機(jī)，利用杠桿放大原理和三角放大原理對壓電疊堆的變形量進(jìn)行放大，并將兩個箝位的驅(qū)動足盡可能的靠近，有效降低了驅(qū)動器對加工與裝配精度的要求，具有運(yùn)行穩(wěn)定、精度高和行程大等優(yōu)點(diǎn)。

1 電機(jī)工作原理

筆者提出的壓電直線電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由箝位機(jī)構(gòu)(1,2)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)(1,2,3)、柔性足(1,2)和導(dǎo)軌等組成。其中,驅(qū)動機(jī)構(gòu)含有疊層壓電陶瓷作為驅(qū)動件。

圖1 電機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the motor

以直線動子在導(dǎo)軌內(nèi)向右運(yùn)動為例，介紹該電機(jī)的運(yùn)動原理。圖2為電機(jī)的運(yùn)行過程圖。圖中簡化了電機(jī)結(jié)構(gòu)，每個柔性鉸鏈簡化一個支點(diǎn)，陰影部分表示通電狀態(tài)。初始時動子處于被導(dǎo)軌預(yù)壓狀態(tài)。驅(qū)動機(jī)構(gòu)1通電伸長推動箝位機(jī)構(gòu)1實(shí)現(xiàn)箝位，如圖2(a)所示。驅(qū)動機(jī)構(gòu)2通電伸長，推動箝位機(jī)構(gòu)2向右步進(jìn)一個微位移dx，如圖2(b)所示。驅(qū)動機(jī)構(gòu)1斷電縮短，箝位機(jī)構(gòu)1釋放箝位，驅(qū)動機(jī)構(gòu)3通電伸長推動箝位機(jī)構(gòu)2實(shí)現(xiàn)箝位，如圖2(c)所示。驅(qū)動機(jī)構(gòu)2斷電縮短，拉動箝位機(jī)構(gòu)1向右步進(jìn)一個微位移dx，從而完成一個運(yùn)動周期。從電機(jī)的運(yùn)行過程看，始終會有一個箝位機(jī)構(gòu)與導(dǎo)軌接觸，電機(jī)斷電后因?yàn)槌跏紩r導(dǎo)軌與箝位機(jī)構(gòu)之間有預(yù)壓，所以電機(jī)具有自鎖功能。此外，電機(jī)的輸出力直接受到箝位機(jī)構(gòu)與導(dǎo)軌直接的預(yù)壓力和摩擦因素的影響，所以可以通過調(diào)節(jié)預(yù)壓力來調(diào)節(jié)輸出力。

圖2 運(yùn)行過程Fig.2 Process of the operation

由電機(jī)的運(yùn)動原理可以看出，動子兩足表面與導(dǎo)軌要實(shí)現(xiàn)過盈配合，在運(yùn)行過程中過盈量在不斷變化，而要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)動，就要求在較大范圍內(nèi)導(dǎo)軌的間距一致并具有較高的平行度。因此，對實(shí)際加工精度的要求比較高。

2 電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 電機(jī)輸出力與電機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系

電機(jī)輸出力是衡量電機(jī)性能的重要因素之一。電機(jī)輸出力F與箝位機(jī)構(gòu)的驅(qū)動足和導(dǎo)軌之間的箝位力成正比[11]，與驅(qū)動機(jī)構(gòu)推動箝位機(jī)構(gòu)所克服的摩擦力成反比。取驅(qū)動機(jī)構(gòu)2向右伸長，箝位機(jī)構(gòu)2向右運(yùn)動為例，設(shè)導(dǎo)軌表面摩擦因素為μ，箝位機(jī)構(gòu)與導(dǎo)軌的摩擦力為f，箝位力為P，則F近似為

F=μP-f

(1)

由于驅(qū)動足并不是剛體，同時導(dǎo)軌也具有一定的彈性，從而得到箝位力P[12]為

(2)

其中：k1，k2分別為驅(qū)動足和導(dǎo)軌的剛度；L為驅(qū)動足在壓電陶瓷作用下最大變形量。

將式(2)帶入式(1)，得

(3)

由式(3)可以看出，增大摩擦因數(shù)和變形量L都有利于增大電機(jī)輸出力。增大L需要增大箝位機(jī)構(gòu)放大壓電陶瓷變形的放大倍數(shù)，這對柔性鉸鏈的剛度有影響。同時，增大放大臂的抗彎系數(shù)，對壓電陶瓷的剛度要求也會變高。因此，需要合理設(shè)計箝位機(jī)構(gòu)的尺寸。

2.2 箝位機(jī)構(gòu)的設(shè)計

2.2.1 箝位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計和放大原理分析

圖3為箝位機(jī)構(gòu)與驅(qū)動機(jī)構(gòu)裝配圖。內(nèi)部的驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要由壓電陶瓷片提供驅(qū)動力，一端由螺柱固定，另一端放置一個陶瓷小球，通過螺釘頂住，壓電陶瓷片的預(yù)緊通過螺釘來調(diào)節(jié)。箝位機(jī)構(gòu)主要由內(nèi)部的矩形結(jié)構(gòu)和外部的U型結(jié)構(gòu)組成。U型結(jié)構(gòu)的兩個角設(shè)計了柔性鉸鏈，矩形結(jié)構(gòu)的4個角和長邊也設(shè)計了柔性鉸鏈，U型結(jié)構(gòu)和矩形結(jié)構(gòu)通過兩個柔性鉸鏈連接。驅(qū)動機(jī)構(gòu)安裝在矩形結(jié)構(gòu)內(nèi)，當(dāng)壓電陶片通電伸長，圖中A，B面受力擴(kuò)張，C，D面向外擴(kuò)張，進(jìn)而推動U型結(jié)構(gòu)長臂擴(kuò)張，實(shí)現(xiàn)箝位。這種間接的驅(qū)動方式可以有效避免壓電疊堆垂直于導(dǎo)軌放置時受到的彎矩。

圖3 箝位機(jī)構(gòu)的裝配Fig.3 Assembly of the clamping mechanism

箝位機(jī)構(gòu)利用杠桿原理和三角放大原理，對壓電疊堆的位移進(jìn)行了放大。首先，介紹利用杠桿原理進(jìn)行放大。圖4為箝位機(jī)構(gòu)外部U型結(jié)構(gòu)的簡圖，每個柔性鉸鏈簡化為一個支點(diǎn)。U型結(jié)構(gòu)在E點(diǎn)受到矩形結(jié)構(gòu)的推力，進(jìn)而兩臂擴(kuò)張，E點(diǎn)位移為Δx1，F(xiàn)點(diǎn)位移為Δx2，利用三角形相似原理，得到位移放大倍數(shù)N1為

(4)

圖4 U型結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Diagram of the U-shaped structure

圖5為內(nèi)部矩形結(jié)構(gòu)簡圖。選取一條邊做分析，長度為L，當(dāng)結(jié)構(gòu)水平方向受力移動一個位移Δx3時，在垂直方向則移動一個微位移Δx4。初始時，所分析的邊與水平方向的夾角為α，移動后角度變?yōu)棣?θ，θ為變形量。根據(jù)幾何關(guān)系得到

Δx3=Lcos(α-θ)-Lcosα

(5)

Δx4=Lsinα-Lsin(α-θ)

(6)

由式(5),(6)得到放大倍數(shù)N2為

(7)

圖5 矩形結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Diagram of the rectangular structure

由于壓電疊堆的位移量只有十幾微米，角α的變形量θ也十分微小，根據(jù)等價無窮小原理sinθ～θ，1-cosθ～θ2/2，帶入式(7)可得

(8)

得到總的放大倍數(shù)N為

(9)

可見,放大倍數(shù)與L1，L2和α的大小有關(guān)，可以改變這3個量來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。

2.2.2 箝位機(jī)構(gòu)有限元分析

在設(shè)計箝位機(jī)構(gòu)時，既要保證對壓電疊堆的變形有足夠的放大倍數(shù)，同時也要保證柔性鉸鏈的剛度。采用ANSYS對箝位機(jī)構(gòu)尺寸進(jìn)行仿真，材料為stainless steel，采用solid45劃分網(wǎng)格，圖3中A,B兩面的中心施加力為150N。圖6為箝位機(jī)構(gòu)的一個有限元仿真結(jié)果。可以看出，箝位機(jī)構(gòu)對疊堆變形的放大倍數(shù)約為9倍，通過式(9)計算得出放大倍數(shù)為11，兩者結(jié)果相差不大，放大倍數(shù)基本滿足電機(jī)運(yùn)行要求，同時柔性鉸鏈部分的變形不是很大，剛度也滿足要求。

圖6 箝位機(jī)構(gòu)有限元分析Fig.6 Finite element method analysis of the clamping mechanism

3 電機(jī)實(shí)驗(yàn)

筆者試制了原理樣機(jī)并設(shè)計了實(shí)驗(yàn)，對電機(jī)輸出性能進(jìn)行測試。圖7為樣機(jī)實(shí)物圖。

圖7 樣機(jī)實(shí)物圖Fig.7 Picture of the prototype

3.1 驅(qū)動足振幅測試

4個驅(qū)動足振幅是否一致直接影響電機(jī)能否穩(wěn)定運(yùn)動。為了測出驅(qū)動足的振幅，采用基恩士激光位移傳感器測試驅(qū)動足的振動位移，用信號發(fā)生器產(chǎn)生方波信號(偏置信號)，經(jīng)功率放大器放大至100 V，頻率為10 Hz，箝位機(jī)構(gòu)一端由虎鉗固定，驅(qū)動足一端懸空，用激光打在需要測的驅(qū)動足上，如圖8所示，采樣周期為200 μm。測得的數(shù)據(jù)如表1所示。

箝位機(jī)構(gòu)均采用相同的結(jié)構(gòu)，壓電陶瓷片為同種類型，通過表1數(shù)據(jù)可以看到，不同的箝位機(jī)構(gòu)驅(qū)動足振幅不同，且同一個箝位機(jī)構(gòu)的兩個驅(qū)動足振幅也有差別，其原因?yàn)椋篴.各個箝位單元壓電陶瓷片的預(yù)緊不完全相同；b.加工時的誤差使箝位機(jī)構(gòu)產(chǎn)生微小變形；c.測試點(diǎn)不同，激光打的位置會有出入，不同的位置對應(yīng)的放大倍數(shù)不同；d.測試有隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差。可以看到,驅(qū)動機(jī)構(gòu)的振幅通過箝位機(jī)構(gòu)放大后，其放大倍數(shù)約為8倍，小于計算的理論值,原因可能為加工時結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了變形。

圖8 箝位機(jī)構(gòu)驅(qū)動足振幅實(shí)驗(yàn)裝置Fig.8 Displacement response test of the clamping mechanism

表1 驅(qū)動足振幅Tab.1 Amplitude of the driving foot μm

3.2 電機(jī)輸出特性實(shí)驗(yàn)

3.2.1 電機(jī)速度與頻率之間的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示，通過信號發(fā)生器對壓電陶瓷疊堆施加峰峰值為100V的方波信號，在電機(jī)空載的情況下，調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的頻率來測試電機(jī)速度和驅(qū)動信號頻率的關(guān)系，如圖10所示。可以看出，隨著電機(jī)工作頻率的增大，電機(jī)運(yùn)行速度也增大，這是由于激勵頻率對壓電疊層的振幅影響很小，電機(jī)的速度主要取決于激勵頻率，且速度增加的幅度越來越大，在頻率為160 Hz時速度達(dá)到最大，之后電機(jī)接近停止，其原因?yàn)殡姍C(jī)結(jié)構(gòu)響應(yīng)頻率不高，由于遲滯效應(yīng)的影響，電機(jī)無法正常運(yùn)行。

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.9 Experiment device

圖10 速度-頻率關(guān)系Fig.10 Relationship between speed and frequency

圖11 速度-電壓關(guān)系Fig.11 Relationship between speed and voltage

3.2.2 電機(jī)速度與電壓之間的關(guān)系

激勵頻率為150 Hz時，改變電壓得到電機(jī)空載速度的特性曲線，如圖11所示。可以看出，電機(jī)空載速度隨著電壓的增加而增加，這是由于陶瓷的輸出振幅隨電壓的增加而增加，頻率不變時，每個周期內(nèi)定子推動動子前進(jìn)的位移與陶瓷的振幅有關(guān)，且振幅越大，動子在一個周期內(nèi)的位移越大。當(dāng)電壓到60 V時，電機(jī)速度趨于穩(wěn)定，不再增加，這是由于壓電疊層的振幅無法隨電壓增加而繼續(xù)增大。

3.2.3 電機(jī)機(jī)械特性

對壓電陶瓷施加峰峰值為100 V、頻率為150 Hz的偏置方波信號，通過在箝位機(jī)構(gòu)一側(cè)懸掛砝碼，測試電機(jī)的拉力，實(shí)驗(yàn)裝置如圖12所示。圖13為電機(jī)的機(jī)械特性曲線。電機(jī)速度隨著負(fù)載的增大而減小，最大負(fù)載為1.6 N。

圖12 輸出力實(shí)驗(yàn)裝置Fig.12 Experiment device of the output force

圖13 機(jī)械特性曲線Fig.13 Mechanical characteristic curve

4 結(jié)束語

利用疊層壓電陶瓷設(shè)計并制作了一種新型結(jié)構(gòu)的兩級復(fù)合放大箝位步進(jìn)壓電直線電機(jī)，分析了電機(jī)的工作原理，給出了該電機(jī)輸出力和主要影響因素之間的關(guān)系，對其速度特性和機(jī)械特性設(shè)計實(shí)驗(yàn)并做分析。該電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、能夠自鎖和頻率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，無載荷下最大速度可達(dá)1.23 mm/s，最大推力可達(dá)1.6 N,有效降低了驅(qū)動器的加工與裝配要求，增強(qiáng)了電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性,基本滿足精密直線進(jìn)給系統(tǒng)的要求，包括速度、分辨率和驅(qū)動力等。

[1] 黃茹楠，陳在禮.超聲電機(jī)在國外的發(fā)展[J].振動、測試與診斷，2002,22(4):270-276.

Huang Runan,Chen Zaili.Recent development of ultrasonic motors[J].Journal of Vibration,Measurement &Diagnosis,2002,22(4):270-276.(in Chinese)

[2] 金家楣，張建輝，趙淳生.新型多軸旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)原理[J].振動、測試與診斷,2008,28(4):369-372.

Jin Jiamei,Zhang Jianhui,Zhao Chunsheng.Principle of a new type of ultrasonic motor rotating around multi-axis[J].Journal of Vibration,Measurement &Diagnosis,2008,28(4):369-372.(in Chinese)

[3] Jun S H,Leea S M,Lee S H,et al.Piezoelectric linear motor with unimorph structure by co-extrusion process[J].Sensor and Actuators A:Physical,2008,147(1):300-303.[4] Sergey B,Kim J D,Kim H J,et al.Nano-positioning system using linear ultrasonic motor with "shaking Beam"[J] .Journal of Electroceramics,2004(12):169-173.

[5] 姚志遠(yuǎn),楊東,趙淳生.桿結(jié)構(gòu)直線超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和功率流分析[J] .中國電機(jī)工程學(xué)報,2009,29(24):56-60.

Yao Zhiyuan,Yang Dong,Zhao Chunsheng.Structure design and power flow analysis of bar-structure linear ultrasonic motors[J].Proceedings of the CSEE,2009,29(24):56-60.(in Chinese)

[6] Kurosawa M.State-of-the-art surface acoustic wave linear motor and its future applications[J] .Ultrasonics,2000,38(3):15-19.

[7] 金家楣,時運(yùn)來,李玉寶.新型慣性式直線超聲壓電電機(jī)的運(yùn)動機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究[J] .光學(xué)精密工程,2008,16(12):2371-2377.

Jin Jiamei,Shi Yunlai,Li Yubao.Research on novel inertial linear ultrasonic piezoelectric motor[J] .Optics and Precision Engineering,2008,16(12):2371-2377.(in Chinese)

[8] 張兆成,胡泓.蠕動式壓電直線驅(qū)動器的發(fā)展及應(yīng)用[J].微特電機(jī),2009,3:56-59.

Zhang Zhaocheng,Hu Hong.Development and application of inchworm-type piezoelectric linear motor[J].Small &Special Electrical Machines,2009,3:56-59.(in Chinese)

[9] 趙宏偉，吳博達(dá)，華順明.尺蠖型壓電直線驅(qū)動器的動態(tài)特性[J].光學(xué)精密工程,2007,15(6):873-877.

Zhao Hongwei,Wu Boda,Hua Shunming.Dynamic performance of inchworm-type piezoelectric linear motor[J].Optics and Precision Engineering,2007,15(6):873-877.(in Chinese)

[10]潘雷.多足箝位式壓電直線電機(jī)的研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2012.

[11]潘雷,王寅,黃衛(wèi)清.多足箝位式壓電直線電機(jī)的研究[J].中國機(jī)械工程,2013,24(8):1080-1084.

Pan Lei,Wang Yin,Huang Weiqing.Study on multi-foot clamping piezoelectric linear motor[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2013,24(8):1080-1084.(in Chinese)

[12]王寅，孫夢馨，黃衛(wèi)清.雙足步進(jìn)作動壓電直線電機(jī)的工作機(jī)理及實(shí)驗(yàn)[J].振動、測試與診斷，2015,35(2):388-393.

Wang Yin,Sun Mengxin,Huang Weiqing.Principle and experimental research on piezoelectric linear stepping motor with double driving feet[J].Journal of Vibration,Measurement &Diagnosis,2015,35(2):388-393.(in Chinese)

[13]陳西府，黃衛(wèi)清，王寅.動摩擦型壓電疊堆直線電機(jī)定子的振動特性[J].振動、測試與診斷，2014,34(5):960-966.

Chen Xifu,Huang Weiqing,Wang Yin.Vibration characteristics of the stator of dynamic friction type linear piezoelectric stack motors[J].Journal of Vibration,Measurement &Diagnosis,2014,34(5):960-966.(in Chinese)

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.04.010

* 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375224)；華僑大學(xué)高層次人才科研啟動費(fèi)資助項(xiàng)目(15BS102)

2015-08-28；

2015-11-12

TM356;TH113.1

韓路,男，1989年4月生，碩士生。主要研究方向?yàn)閴弘娭本€電機(jī)的研究與應(yīng)用。

E-mail：15151820995@163.com