壓電式粉末驅動器的設計與測試*

于 淼，侯 俊，劉金龍，林佳穎，李沈芳，田曉超

(長春大學 機械與車輛工程學院，吉林 長春 130022)

0 引 言

壓電驅動器具有高驅動速度和高位移分辨率等優勢，廣泛應用于半導體加工、精密機械加工與生物醫學等領域[1-4]。然而驅動器受到頻率和電壓的影響，會導致驅動器的驅動效果不佳[5-7]。為了提高驅動器的驅動效果，實現高精度的物料輸送，很多研究學者通過改進壓電驅動器的結構來提高其工作性能。Peng等[8]設計了一種壓電慣性驅動的微飛行器撲翼機構，通過壓電疊堆帶動曲柄滑塊機構實現撲翼的往復運動，使驅動器的最大速度達到 11.4 mm/s。Min-Ho Park等[9]開發了一種新型直線壓電驅動器，利用壓電振子使驅動足產生彎曲變形并帶動驅動器工作，速度可達33 μm/s。臺灣國立大學研制的壓電慣性驅動器[10-11]，采用多自由度結構使裝置分辨力達到10 nm。朱吳樂等[12]將葉型雙平行四邊形結構與Scott-Russel和半橋機構組成的柔順放大機構相結合，研制出用于納米定位的平行兩自由度壓電驅動的柔順微動平臺，其共振頻率分別為570 Hz和585 Hz。2018 年吉林大學設計研究的慣性式壓電驅動器，驅動元件采用壓電單晶片振子，振子分為兩組，一組提供拉力，另一組提供沿驅動器運動方向的推力，定位精度高、速度更快[13]。中國科學技術大學設計了帶有等寬凸輪結構的直線慣性驅動器[14]，最小步距為1.15 nm。

為了實現壓電驅動器高精度的粉末輸送，筆者設計了一種壓電驅動式粉末驅動器。該結構將三組壓電元件對稱分布，可實現粉末的定向定量輸送。在精密加工的自動化生產線上，它具有很好的應用前景。

1 結構設計與工作原理

1.1 結構設計

壓電式粉末驅動器其結構如圖1所示。

圖1 驅動器結構設計

主要由驅動臺、彈簧板、壓電振子、基座和墊塊等五部分組成。其中壓電振子粘附在彈簧板上，墊塊固定壓電振子，起到穩定輸出的作用，基座可以使粉末平穩輸送且實現壓電振子夾緊。

1.2 工作原理

將壓電振子連接驅動電源，調整到合適的電壓及頻率，使壓電振子振動，然后壓電振子的振動轉化為驅動臺上下和左右方向的振動來驅動粉末輸送，最后粉末通過振動由驅動平臺大口向小口運輸。當驅動電源的輸入頻率和系統的固有頻率接近或者一致時，系統處于共振狀態，此時粉末驅動器輸送能力最強，物料通過指定的軌道按照一定的方向進行運動。

2 理論分析

粉末驅動器的動力學模型如圖2所示。其中，m為驅動臺的等效質量；k為彈簧板和壓電振子等效剛度；c為等效阻尼；x為驅動器垂直方向的振幅。

圖2 簡化的力學模型

在諧振激勵F(t)=f0sinωt的作用下，建立系統動力學方程為：

(1)

方程兩端同時除以m并考慮粘性阻尼因子，得到諧波激勵下的系統微分方程為：

(2)

式中c和k有以下公式：

(3)

將式(3)代入式(2)進一步轉化為：

(4)

式中：ζ為阻尼比；wn為系統固有頻率。

穩態響應為：

(5)

將式(5)簡化為：

x(t)=Xcos(wt-φ)

(6)

可得振幅：

(7)

諧振響應的幅值X與諧振激勵幅值A之間的比值，稱為振幅放大倍數|H(w)|：

(8)

式中：A=F0/k，得到|H(w)|極大值時的w值：

(9)

將式(9)得到得w值帶入式(8)中，得到|H(w)|的極大值：

(10)

把物料輸送等效為小滑塊在水平面上的運動，對物料速度進行分析。軌道的振動屬于簡諧振動，假設軌道的運動方程為：

S=Bsinwt

(11)

式中：B為軌道的振幅；ω為軌道的振動頻率。

可得軌道運動的速度：

V=Bwcoswt

(12)

3 實驗測試

3.1 測試裝置

實驗裝置如圖3所示。主要包括顯示器、試驗樣機、數字調頻壓電振動送料控制器、高精度激光測微儀、傳感器支撐架、試驗臺、電源、定位臺等。分別進行運行速度測試、輸出位移測試。

圖3 粉末驅動器性能測試

3.2 驅動器的性能測試

3.2.1 驅動器的頻率特性

將粉末均勻放置在驅動平臺末端，調整電壓至100 V，設置頻率采樣周期為1 Hz。測得驅動頻率與驅動速度、驅動振幅之間的關系曲線如圖4、5所示。

圖4 頻率對驅動速度關系曲線 圖5 頻率對驅動振幅關系曲線

由圖4、5可知，驅動速度和振幅隨著頻率的變化先增大后減小，當共振頻率為145 Hz時，驅動速度可達到1.68 mm/s。頻率過大或者過小時，驅動器將無法驅動粉末，有效的驅動頻率區間為115～175 Hz。

3.2.2 驅動器的電壓特性

將頻率調節到145 Hz，測量0～100 V下驅動器的速度和振幅，得到電壓與驅動速度和振幅的關系曲線如圖6和圖7所示。

圖6 電壓對驅動速度的關系曲線 圖7 電壓對驅動振幅的關系曲線

由圖6可知，當電壓小于20 V時，驅動器不能輸送物料，當電壓大于20 V時，粉末開始緩慢移動，并隨著電壓的增大而迅速增大。由圖7得出，驅動器的振幅隨著電壓的增大而增大，當電壓過小則無法實現驅動，振幅過大會影響驅動器的輸送效果。

4 結 語

為了實現壓電式驅動器高精度的粉末輸送，設計了一種壓電式粉末驅動器。通過力學模型分析得到影響粉末驅動器性能的影響因素。通過設計樣機并進行實驗測試得出，當系統處于共振頻率為145 Hz，驅動電壓為100 V時，粉末的移動速度達到1.68 mm/s，振幅可以達到8.8 μm，此時驅動粉末的效果達到最佳。此設計在自動化加工、裝配及運輸領域有廣泛的應用前景。