螺旋箝位雙向大推力壓電直線作動器研究

程丁繼，時運來，林瑜陽，張 軍,付少蕾

(南京航空航天大學 機械結構力學及控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210016)

0 引言

近年來，隨著壓電材料工藝和精密加工技術的發展，利用材料的物性效應實現微納米尺度驅動技術越來越受到國內外關注。與傳統直線電機工作原理和機械結構相比，壓電直線作動器以結構簡單，慣性小，響應快，定位精度高，輸出位移大，輸出能量密度高，易小型化等優點，在自動控制、精密定位及微機電系統(MEMS)等領域已有獨特優勢[1-3]。尺蠖式直線作動器類似于自然界的尺蠖運動[4]，其通過箝位自鎖的方式，將壓電疊堆小振幅、高頻率的能量輸入轉換為低頻率、大位移的能量輸出。在壓電尺蠖式直線作動器方面，趙宏偉[5]和張兆成[6]取得了很好的研究成果，但基于主動箝位方式，作動器的推力只有幾十牛頓。朱鵬舉等[7]采用螺旋箝位[8]方式設計的作動器最大推力可達130 N，行程為40 mm?；诼菪槲坏姆绞?，利用壓電疊堆在非共振狀態下輸出力大，變形大，重復精度高等優點，設計了一種推拉雙向大行程、大推力的壓電直線作動器，并對其箝位條件進行了分析研究，使作動器既滿足大驅動力的要求，又具有足夠大的位移量。

1 原理分析及結構設計

1.1 螺旋箝位運動原理

壓電尺蠖作動器主要由驅動元件、箝位結構和輸出元件組成。箝位結構主要有主動箝位、被動箝位和螺旋箝位。螺旋箝位是前兩者的綜合，螺母絲杠的接觸相當于兩楔形塊間的接觸，故螺母絲杠接觸需能自鎖。圖1為螺旋箝位結構示意圖[9]，主要由絲杠和兩箝位螺母組成。其運動原理是：上、下兩螺母交替箝位，將位于中部壓電疊堆的微小位移累積傳遞到絲杠上，絲杠在沿軸向運動時不產生繞軸的旋轉，箝位螺母只需偏轉力矩，并不需要驅動力。由上述原理可知，箝位端面的設計及箝位動力源的選擇直接影響箝位力的輸出和大行程的實現。

圖1 螺旋箝位結構示意圖

1.2 結構設計

由圖1可看出，由于螺旋箝位結構的限制，該尺蠖式直線作動器的輸出位移受兩箝位螺母間距的限制，無法實現大行程。圖2為作動器的總體結構圖。采用2個環形壓電疊堆對稱布置，分別承擔壓力和拉力負載時的作動，并將驅動疊堆放在箝位外，兩箝位螺母則通過一個力矩電機連接。電機主軸設計中空，這使得絲杠可貫穿整個作動器，即能實現大行程及大推力。

圖2 作動器結構示意圖

圖3 作動器運動時序圖

通過匹配壓電疊堆驅動信號與力矩旋轉方向，實現作動器的雙向推出。圖3為作動器在受到壓力和拉力負載時，壓電疊堆驅動信號與力矩電機不同轉向的時序圖。圖中，T為壓電疊堆的一個驅動周期。分別對兩驅動疊堆施加相同的偏置正弦信號，使作動器產生推力或拉力，壓力負載下力矩電機正轉，拉力負載時電機反轉，相應地兩箝位螺母的運動狀態也相反。通過給疊堆驅動信號和力矩電機旋轉信號間的合理匹配，可使梯形絲杠持續穩定地輸出直線位移。

2 螺旋箝位條件分析

2.1 壓電疊堆的選型及箝位端面的仿真分析

作動器主要有壓電疊堆和力矩電機2個動力源，二者的選擇直接影響作動器的輸出性能?？紤]到作動器要輸出大推力及大位移，選用德國PI公司生產的低壓環形壓電疊堆促動器(HPSt 150/14-10/25 VS22)，標準行程為23 μm，圖4為壓電疊堆實物圖。

圖4 壓電疊堆實物圖

為減小作動器的整體尺寸和減少連接構件的數量，將箝位端面與封裝壓電疊堆的殼體設計成一體。由于箝位力的大小及箝位效果直接影響作動器能承受的最大負載，因此，為獲得更大的箝位力，對端面尺寸進行設計，通過ANSYS有限元仿真分析疊殼的形變。疊殼的材料采用熱處理后的7075AL，與普通鋁材相比，其具有比強度高的優勢，圖5為施加端面200 N作用力時的形變位移圖。由圖可看出，疊殼的最大形變處發生在圓環內圈，位移為1.81 μm，而壓電疊堆的標稱行程l=23 μm。因此，所設計的箝位端面滿足作動器大負載時的輸出。

圖5 疊殼端面形變位移圖

2.2 力矩電機的選型及其主軸的強度校核

由于螺旋箝位中螺母的動力只需一個偏轉力矩，因此，選擇55LYX02稀土永磁直流力矩電動機，其峰值堵轉力矩為0.42 N·m，驅動電壓為27 V，最大空載轉速為2 000 r/min。圖6為力矩電機實物圖。LYX系列直流力矩電機具有可堵轉運行，低速轉矩大，反應速度快，轉矩和轉速波動小，機械特性和調節特性線性度好等特點。

圖6 力矩電機實物圖

力矩電機通過一個空心主軸將力矩傳遞到箝位螺母上，主軸的材料選用磷青銅。由于軸是空心的，在傳遞力矩時需滿足強度要求，因此，通過ANSYS有限元對其進行強度分析。圖7為在施加堵轉力矩0.42 N·m時電機主軸的應力分布圖。由圖可看出，最大應力(124 MPa)集中在端部，小于磷青銅的許用強度(320 MPa)。

圖7 力矩電機主軸應力分布圖

2.3 壓電疊堆與力矩電機之間的匹配關系

壓電尺蠖式作動器的輸出性能主要受箝位效果直接影響，而螺旋箝位的實現需要通過匹配力矩電機轉速與壓電疊堆的驅動頻率。根據圖3時序圖計算轉速n與周期T的關系。首先計算在T/2時間內力矩電機轉過的角度θ為

(1)

(2)

式中ω為電機穩定轉動時的角速度。

由于疊堆一個驅動周期內的最大位移(即標稱位移)為l，螺母與箝位端面距離為h，因此，電機轉過的角度需使螺母產生軸向位移至少為l+h，螺母絲杠的導程為d，計算螺母轉角φ與位移的關系式為

(3)

又根據θ≥φ，可得轉速與頻率的關系為

(4)

由式(4)可知，電機轉速與疊堆驅動頻率關系為正相關，且式(4)的右邊為轉速的最小值，即轉速過低無法箝位作動。

3 實驗及驗證

3.1 實驗系統構成

圖8為設計的壓電直線作動器。樣機機身總長為233 mm，最大外徑為?63 mm，質量為1.15 kg，最大行程可達60 mm。實驗搭建系統如圖9所示。采用泰克公司AFG3022C型信號發生器產生驅動信號，利用功率放大器將驅動信號進行放大。利用TDS1012B-SC的示波器來監測平臺輸入信號變化。通過雷尼紹XL180激光干涉儀對絲杠輸出位移進行測量。直流電源給力矩電機供電。實驗通過控制力矩電機轉速與壓電疊堆的不同驅動頻率，測量相應的實驗數據。

圖8 作動器實物圖

圖9 測試系統

3.2 轉速與頻率的匹配測試

作動器性能的好壞取決于箝位的可靠性，為測量壓電疊堆不同驅動頻率下所需的力矩電機轉速大小，在壓力負載為150 N，疊堆驅動電壓為100 V下，實驗測得了電機轉速與疊堆頻率的散點圖，如圖10所示。由圖可看出，隨著疊堆驅動頻率的增高，所需力矩電機轉速也相應增加，近似成線性。式(4)中，d=1 mm，通過線性擬合，得到曲線斜率為2.59，反求出l+h的值為21.58 μm。所用壓電疊堆空載時行程為23 μm，但疊堆自身受到壓力時會有一定的變形量，且又計算值為理論最低轉速，故實驗結果可視為可靠。

圖10 電機轉速與驅動頻率關系曲線

3.3 輸出力測試

在測量作動器輸出推力時，給壓電疊堆施加不同的驅動電壓幅值，測得疊堆驅動頻率100 Hz、電機轉速150 r/min時，作動器正、反向輸出力與疊堆驅動電壓的實驗數據如圖11所示。由圖可看出，正、反向輸出力相差不大，且隨著電壓的上升，輸出力也上升，在疊堆的最大承受電壓為150 V時，測得最大推力為190 N。

圖11 輸出力與驅動電壓關系曲線圖

4 結束語

基于尺蠖運動原理，設計了一種推拉雙向的壓電直線作動器。采用螺旋箝位將壓電疊堆高頻率的微小振幅累積傳遞到輸出軸上，實現大行程及大推力。為研究螺旋箝位的可靠性，對箝位承載面進行有限元仿真，分析其形變大小。對力矩電機主軸進行強度校核。計算分析力矩電機轉速與壓電疊堆不同驅動頻率之間的關系，實現可靠箝位。最后搭建作動器實驗測試系統，實驗結果表明，作動器的最大輸出推力為190 N，行程為60 mm，電機轉速與疊堆驅動頻率近似成線性，與計算結果相符合。該作動器在需直線輸出且結構簡單小型化的機器上具有獨特的優勢，如變形機翼折疊機構、炮體導彈等。