基于結構一體化的壓電尺蠖直線電機設計

應志奇，劉文翠，惠相君，周鵬飛，汪家樂，孫靖康，崔玉國

(1. 寧波大學 機械工程與力學學院，浙江 寧波 315211；2. 首信自動化信息技術有限公司，河北 遷安 064400)

0 引言

壓電尺蠖直線電機是一種具有毫米級以上運動行程、亞微米級精度、納米級分辨率的精密驅動器。在生物工程領域，它可以為加工與操作細胞與細胞內物質所需的精密定位系統提供毫米級的工作行程和亞微米級的定位精度[1]；在光學工程領域，它可以為精密光學元件的加工以及表面形貌檢測提供大行程、高精度的驅動定位[2-3]；在IC制造領域，它可以為芯片光刻與封裝提供亞毫米級的行程以及納米級的定位分辨率[4]。

與傳統的直線電機相比，壓電尺蠖直線電機在眾多精密領域具有明顯的優勢，因此，國內外研究者對此展開了廣泛研究。劉建芳等[5]研制出一種推動式壓電尺蠖直線電機，可獲得的最大箝位力為70 N，靜、動態驅動力分別為63 N、47 N，電機的分辨率為40 nm，最大速度為0.24 mm/s；李全松等[6]研制出一種新型爬行式壓電尺蠖直線電機，該電機的運動范圍為20 mm，可獲得的箝位力與驅動力分別為47 N與38 N，電機的分辨率為20 nm，最大速度達到0.48 mm/s；J. Park等[7]研制出一種同時擁有大位移和大推力的壓電尺蠖直線電機，可獲得的靜、動態箝位力分別為2.25 kN與50 N，電機能達到的最大速度為11 mm/s；Peter E.Tenzer等[8]研制出一種新型結構的壓電尺蠖直線電機，該電機運動速度最大為0.02 m/s，最大剛度達88 N/μm，推力最大為150 N；Nicolas Ferrier等[9]研制出了一種采用楔形結構作為箝位機構的壓電尺蠖直線電機，該電機的最大驅動力為1.5 kN；Edward Williams等[10]設計了一種基于力放大原理的大推力壓電尺蠖直線電機，該電機的最大運動行程為220 μm，最大驅動力為39 N。

當前的壓電尺蠖電機都是分體式結構，即各部分結構通過裝配形成一體，這導致電機的結構不夠緊湊；同時，箝位位移、釋放位移需通過裝配過程中預設的過盈量來保證，這對電機的加工和裝配精度提出了較高的要求；而且，電機機體裝配往往會降低各組成部分之間的接觸剛度，增大阻尼，導致電機的動態響應特性變差[11-12]。

本文以結構簡單緊湊、加工與裝配精度要求低、箝位機構與驅動機構一體化為目標，設計了壓電尺蠖直線電機。

1 電機結構設計及運動原理

1.1 結構設計

基于結構一體化的構想，本文設計的壓電尺蠖直線電機如圖1(a)所示，它由電機機體、釋放用壓電執行器、驅動用壓電執行器、輸出軸、箝位機構預緊螺釘、驅動機構預緊螺釘、預緊墊塊組成。其中，機體由左、右兩結構相同的箝位機構以及驅動機構組成，且箝位機構與驅動機構均為柔性薄板式結構。

圖1 電機三維造型

左、右箝位機構均包括2個箝位單元，它們通過斷電箝位、通電釋放的方式對輸出軸進行交替箝位與釋放；而由兩組雙平行柔性薄板式三角放大結構組成的箝位單元，既可對釋放用壓電執行器的輸出位移進行放大，又可在釋放用壓電執行器的軸線方向上僅輸出平動位移。預緊墊塊(見圖1(b))可使釋放用壓電執行器在被預緊時避免受到預緊螺釘的扭矩作用；定位肩可以對釋放用壓電執行器的安裝起到定位作用，提高裝配的精度。箝位單元各通過2個剛性連接部和1個箝位用柔性薄板與驅動機構相連接(見圖1(c))。

驅動機構帶動輸出軸進行直線運動，同時將左、右兩箝位機構結合于其兩端，以實現結構一體化。其中，驅動用柔性薄板用來輸出壓電執行器的位移；柔性折疊梁同驅動用柔性薄板相結合，二者可在驅動用預緊螺釘的作用下產生預變形，實現對驅動用壓電執行器的預緊；驅動機構右側剛性部分上的沉頭孔用來固定電機機體。

由以上各部分結構可知，所設計的結構一體化電機結構簡單緊湊，加工及裝配難度低，且可實現斷電箝位。電機總體尺寸(不包含輸出軸)為74 mm×76 mm×60 mm。

考慮到材料對于壓電尺蠖直線電機的性能影響，對于電機的機體制作，采用韌性好、彈性高、密度小的航空鋁7075-T6；而對于電機輸出軸，則采用耐磨性和硬度高的軸承鋼40Cr進行制作。

1.2 運動原理

首先在將驅動機構有沉頭孔一側的剛性部分固定的情況下，基于所設計的壓電時序(見圖2)，電機的箝位機構、驅動機構可以交替動作，最終使輸出軸實現連續直線運動。

圖2 電機的壓電控制時序

具體工作過程如下：

a) 對右箝位機構的兩釋放用壓電執行器通電，使得右側箝位機構釋放輸出軸。

b) 對驅動用壓電執行器通電，使得驅動機構帶動輸出軸向左輸出單步位移。

c) 對右箝位機構兩釋放用壓電執行器斷電，使得右箝位機構再次對輸出軸進行箝位。

d) 對左箝位機構兩釋放用壓電執行器通電，使得左箝位機構釋放輸出軸。

e) 對驅動用壓電執行器斷電，使得驅動機構恢復原狀。

f) 對左箝位機構兩釋放用壓電執行器斷電，使左箝位機構再次對輸出軸進行箝位，此時，電機的箝位機構與驅動機構均恢復到初始狀態。

重復a)～f)，壓電尺蠖電機便連續向左輸出直線位移；改變箝位機構、驅動機構的通電時序，則可使電機向右連續輸出直線位移。

2 電機特性有限元分析

2.1 箝位機構放大倍數及應力分析

給左箝位機構的兩箝位單元上、下剛性部分內表面施加10 μm的位移(上、下各5 μm)。圖3為箝位單元位移分析結果。由圖可知，在10 μm的輸入位移作用下，箝位體沿箝位方向的位移為31.6 μm，可見箝位單元的位移放大倍數為3.16。

圖3 箝位單元位移分析結果

給箝位單元上下剛性部分內表面施加40 μm的輸入位移(釋放用壓電執行器的最大標稱位移為40 μm)，圖4為箝位機構應力分析結果。由圖可知，箝位單元最大應力為178 MPa，遠小于電機機體所用材料鋁合金7075的許用應力(為540 MPa)，所以，箝位機構在應力方面完全滿足要求。

圖4 箝位機構應力分析結果

2.2 驅動機構應力分析

給同驅動用壓電執行器相接觸的驅動機構左側內端面施加100 μm的位移。圖5為驅動機構應力分析結果。由圖可知，驅動機構產生的應力為206 MPa，小于電機機體所用材料鋁合金7075的許用應力。100 μm的變形，完全能夠滿足驅動用壓電執行器裝配及預緊變形的要求。

圖5 驅動機構應力分析結果

2.3 機體模態分析

圖6為電機機體前6階模態的振型與固有頻率。其中，圖6 (a)為非固定端箝位機構繞y軸做縱向俯仰振動，圖6 (b)為非固定端箝位機構繞z軸做水平擺動振動，圖6 (c)為非固定端兩個箝位單元沿與箝位方向相反的方向做水平擺動振動，圖6 (d)為固定端單個箝位單元沿與箝位方向相反的方向做水平擺動振動，圖6 (e)為固定端單個箝位單元沿箝位方向做水平擺動振動，圖6 (f)為非固定端箝位機構繞x軸做順時針扭轉振動。由圖可知，機體具有足夠高的共振頻率，抗震性較好。

圖6 機體振型及固有頻率的分析結果

3 電機特性測試

3.1 實驗系統構成

圖7為測試壓電尺蠖直線電機位移特性的實驗系統。該實驗系統由激光位移傳感器、計算機、壓電執行器驅動電源、包含模數轉換(A/D)和數模轉換(D/A)的多功能數據卡、電機機體、手動平移臺組成。位移特性測試實驗過程如下：首先，為使激光位移傳感器處于測量范圍內，對手動平移臺進行相應的調節；然后，計算機輸出所需要的驅動電壓信號，經多功能數據卡上的D/A轉換器轉換成模擬電壓后施加到壓電執行器驅動電源上；接著，壓電執行器驅動電源將模擬電壓進行放大，并施加于壓電執行器上使其輸出微位移，進而電機在壓電執行器的作用下也產生相應的微位移；最后，激光位移傳感器檢測到該微位移，并由多功能數據卡的A/D轉換器轉換后采集到計算機內。

圖7 電機位移測試系統

3.2 箝位機構位移測試

給箝位機構的釋放用壓電執行器施加0～120 V～0的三角波電壓，測量箝位機構沿釋放用壓電執行器軸線方向的位移；然后在釋放用壓電執行器的預緊狀態下，再給其施加0～120 V～0的三角波電壓,測量箝位機構沿箝位方向的位移。圖8為箝位機構位移圖。由圖可得，箝位機構沿釋放用壓電執行器軸線方向與沿箝位方向的最大位移分別為20.55 μm、62.63 μm。結合箝位機構沿釋放用壓電執行器軸線方向的位移特性，箝位單元的實際位移放大倍數為3.05。

圖8 箝位機構位移

3.3 驅動機構位移特性測試

給驅動用壓電執行器施加0～120 V～0的三角波驅動電壓，測量驅動機構的位移特性。圖9為驅動機構位移圖。由圖可得，在0～120 V～0電壓作用下，驅動機構的最大輸出位移為8.24 μm。

圖9 驅動機構位移

3.4 電機連續位移測試

在20 Hz的電機控制時序頻率下，給釋放用壓電執行器施加幅值恒為120 V電壓，而給驅動用壓電執行器分別施加幅值為7.5 V、15 V、30 V、60 V、90 V、120 V電壓，測量電機在20 s內所輸出的連續位移。圖10為電機連續位移圖。由圖可得，電機的連續位移具有良好的線性，原因是在電壓頻率不變的情況下，壓電執行器的伸長量與電壓幅值呈線性關系，在恒定的電壓作用下，壓電執行器的伸長量相對穩定，因此，帶動電機運動的單步位移也相對穩定，而電機的連續位移是由單步位移累加起來的，故而表現出良好的線性。

圖10 電機連續位移

3.5 電機的速度測試

在電壓頻率分別為1 Hz、5Hz、10 Hz、20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz、60 Hz的情況下，給釋放用壓電執行器施加幅值恒為120 V的電壓，而給驅動用壓電執行器分別施加幅值為60 V、90 V、120 V的電壓，測得電機的速度與頻率關系如圖11所示。

圖11 電機的速度與頻率關系

由圖11可看出，在頻率相同時，電機的速度隨著驅動電壓幅值的增大而增大； 而在驅動電壓幅值相同的情況下，當時序頻率小于30 Hz時，隨著時序頻率的增大，電機的運動速度也隨之增大，當時序頻率超過30 Hz時，隨著時序頻率的增大，電機速度卻隨之減?。划敺禐?20 V、時序頻率為30 Hz的電壓作用于驅動用壓電執行器上時，電機的速度達到最大值0.17 mm/s。

3.6 電機的分辨率測試

在電機的一個運動周期內，給其固定端箝位機構的壓電執行器施加幅值為120 V的梯形波電壓,驅動用壓電執行器施加可使輸出軸產生最小位移的階梯波電壓(0.9 V)。圖12為電機位移分辨率。由圖可得電機的位移分辨率為10 nm。

圖12 電機位移分辨率

4 結束語

本文設計了一種結構一體化式壓電尺蠖直線電機，該電機將箝位機構與驅動機構集成于一體，簡化了電機的裝配與調節過程，降低了對機體加工、裝配的精度要求，并可實現斷電自鎖。采用有限元仿真方法分析了電機的靜、動態特性。通過相應的實驗測試了電機的運動特性，實驗結果表明，電機箝位機構的最大箝位位移為62.63 μm，位移放大倍數為3.05倍；驅動機構的最大輸出位移為8.24 μm；在最大驅動電壓120 V作用下，電機的最大運動速度為0.17 mm/s；電機的分辨率為10 nm。