壓電精密直線步進(jìn)電機(jī)研究與原理分析

曾群

摘要：提出一種新型的定子主動(dòng)箝位方式壓電精密直線步進(jìn)電機(jī)，解決了壓電驅(qū)動(dòng)電機(jī)箝位不牢固、步進(jìn)頻率較低、行程小、速度低等問題。研制的精密電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高頻率（100Hz），高速度（30mm/min），大行程（>20mm），高精度，大驅(qū)動(dòng)力（100N）等特點(diǎn)，大幅度提高了壓電型步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能。研制的該步進(jìn)電機(jī)在精密運(yùn)動(dòng)、微操作、光學(xué)工程、精密定位等精密工程中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器；定子箝位；步進(jìn)電機(jī)；薄壁柔性鉸鏈；大行程

1 引言

近年來，隨著微/納米技術(shù)的迅猛發(fā)展 , 在光學(xué)工程、微電子制造、航空航天技術(shù)、超精密機(jī)械制造、微機(jī)器人操作、地震測量、生物、醫(yī)學(xué)及遺傳工程等技術(shù)領(lǐng)域的研究都迫切需要亞微米級(jí)、微/納米級(jí)的超精密驅(qū)動(dòng)。傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)功率—重量比低，而且電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)后需要減速裝置變速，致使傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)累贅。顯然，現(xiàn)有技術(shù)已不能滿足工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的需求。隨著科技的發(fā)展，人們研制出利用功能材料構(gòu)成的新型電機(jī)來實(shí)現(xiàn)超精密驅(qū)動(dòng)，近年來此研究已取得了一系列成果，如記憶合金電機(jī)、壓電效應(yīng)電機(jī)、電致伸縮電機(jī)和磁致伸縮電機(jī)等。

2 基本原理及結(jié)構(gòu)
2.1 定子箝位方式
本文研制的壓電直線步進(jìn)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖 1所示：主要由定子箝位體和直線動(dòng)子組成，定子箝位體上安裝有箝位動(dòng)力壓電疊堆，直線動(dòng)子上安裝有驅(qū)動(dòng)動(dòng)力壓電疊堆，各壓電疊堆協(xié)調(diào)工作，使直線動(dòng)子在定子導(dǎo)向孔中運(yùn)動(dòng)。箝位機(jī)械結(jié)構(gòu)原理如圖 2 所示：定子體固定不動(dòng)，壓電疊堆在正向電壓作用下伸長推動(dòng)箝位塊向下運(yùn)動(dòng)，壓緊直線動(dòng)子，從而實(shí)現(xiàn)箝位，該雙側(cè)薄壁鉸鏈結(jié)構(gòu)在鉗位過程中幾乎不產(chǎn)生阻力作用，由于雙薄壁鉸鏈的變形和橫向約束作用，使箝位塊只產(chǎn)生 y 向的運(yùn)動(dòng)，而不產(chǎn)生 x 向運(yùn)動(dòng)，從而在鉗位過程中對(duì)動(dòng)子不產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)動(dòng)力，使箝位牢靠、穩(wěn)定。       

2.2 直線驅(qū)動(dòng)動(dòng)子結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)直線動(dòng)子具有大的輸出載荷，并且具有較高的運(yùn)動(dòng)頻率，取得剛度適中的中間柔性鉸鏈很重要。直線動(dòng)子加工出雙薄壁柔性鉸鏈，并沿中心線對(duì)稱分布，中間安放用于驅(qū)動(dòng)的壓電疊堆，當(dāng)壓電疊堆伸長時(shí)由于柔性鉸鏈的變形使直線動(dòng)子沿軸線方向伸長而不會(huì)相對(duì)軸線偏轉(zhuǎn)。

3 設(shè)計(jì)及制作
3.1 箝位參數(shù)設(shè)計(jì)

在步進(jìn)驅(qū)動(dòng)中，箝位性能的好壞直接影響步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的效果，箝位性能參數(shù)主要為動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)，包括箝位力參數(shù)F 和箝位響應(yīng)頻率參數(shù)P1。大的箝位力可以使箝位牢靠、穩(wěn)定，不會(huì)因沖擊而產(chǎn)生位移，從而提高步進(jìn)重復(fù)性精度；高的箝位響應(yīng)頻率可以使箝位靈敏，實(shí)現(xiàn)高頻步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，從而形成高速運(yùn)動(dòng)。假設(shè)箝位塊質(zhì)量為M，可認(rèn)為是集中質(zhì)量即質(zhì)點(diǎn)。假設(shè)系統(tǒng)在自由振動(dòng)時(shí)的撓度曲線和系統(tǒng)中間有集中靜載荷Mg作用下的靜撓度曲線一樣，則在距離固支點(diǎn) x 距離處的任一單元的位移表達(dá)式為

下面用瑞利能量法對(duì)圖4進(jìn)行分析：設(shè)ρ為薄壁鉸鏈單位長度質(zhì)量，整個(gè)薄壁鉸鏈的動(dòng)能為

因?yàn)槭呛喼C振動(dòng)，可設(shè)ym =Asin(ωnt + ?)則y m = Aωn cos(ωnt + ?)

式中k為薄壁鉸鏈的彈性剛度系數(shù)，對(duì)于兩端固定薄壁鉸鏈帶有中間質(zhì)量M 時(shí):

式中 EI 為薄壁鉸鏈截面抗彎曲剛度系數(shù)。在保證箝位牢靠、剛性滿足要求的前提下，最大限度的減小 M 的質(zhì)量，將能顯著提高系統(tǒng)的固有頻率。

由于薄壁鉸鏈截面的影響，使系統(tǒng)的抗彎剛度系數(shù) EI 引起的抗彎力 Fe<<F ，從而使 F 有效的作用在動(dòng)子上，產(chǎn)生的摩擦箝位力 F_f為

F_f = Ks ? (F - Fe ) ≈Ks ? F
式中 Ks為鉗位塊與動(dòng)子間的靜摩擦系數(shù)。在F的選取中，壓電疊堆的預(yù)緊力Fp，壓電疊堆與箝位塊之間的連接牢固程度，箝位塊與動(dòng)子之間的間隙大小都對(duì)F起很大的影響。壓電疊堆有很高的響應(yīng)頻率（幾萬Hz），因此盡可能提高箝位機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率可使整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率P提高。另外，在工作中，箝位系統(tǒng)的響應(yīng)頻率P1和直線動(dòng)子系統(tǒng)的響應(yīng)頻率是一致的，所以箝位系統(tǒng)的固有頻率和直線動(dòng)子系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)盡量趨于一致。
3.2 直線動(dòng)子參數(shù)設(shè)計(jì)
直線動(dòng)子是整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件和動(dòng)力輸出裝置，其參數(shù)設(shè)計(jì)中同樣包括推力參數(shù) F 、步進(jìn)量參數(shù)?L 和頻率參數(shù) P2。該系統(tǒng)的變形如圖 5 所示，當(dāng)左側(cè)箝位后，可看作緊固連接，右側(cè)為在力的作用下產(chǎn)生變形，兩側(cè)的薄壁鉸鏈可看作兩串連的彈簧模型。參數(shù)之間關(guān)系為
F –Fw =( K₁+K₁)?L

式中 F 為壓電疊堆產(chǎn)生的有效推力； Fw 為有效輸出載荷； K₁ 為薄壁鉸鏈動(dòng)力學(xué)模型的當(dāng)量彈性系數(shù)； ?L 為直線動(dòng)子的變形位移量。因?yàn)樵擈?qū)動(dòng)過程非常復(fù)雜，涉及到壓電疊堆的響應(yīng)時(shí)間，輸出載荷的加速度變化，內(nèi)部能量損耗等，所以這里采用了當(dāng)量彈性系數(shù) K₁、有效推力 F、有效輸出載荷 Fw等對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述。該驅(qū)動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓電疊堆具有與箝位部分相同的運(yùn)動(dòng)頻率，所以，為了提高整體系統(tǒng)的頻率，應(yīng)盡可能的提高直線動(dòng)子機(jī)械系統(tǒng)本身的固有頻率。但是直線動(dòng)子部分與定子箝位部分不同，定子箝位系統(tǒng)的固有頻率一旦設(shè)計(jì)完成，是一個(gè)固定不變的量，而直線動(dòng)子系統(tǒng)的固有頻率則隨著輸出載荷的變化而變化，是一個(gè)變化的量。由材料力學(xué)和振動(dòng)力學(xué)知識(shí)可以推導(dǎo)出其變化函數(shù)關(guān)系:

式中 M 為薄壁鉸鏈一側(cè)直線動(dòng)子質(zhì)量； Mw 為外部載荷物體質(zhì)量； F0 為薄壁鉸鏈上的預(yù)緊力； e 為直線動(dòng)子的振幅。設(shè)計(jì)直線動(dòng)子時(shí)，在滿足強(qiáng)度條件和步進(jìn)位移量的前提下，應(yīng)盡量提高薄壁鉸鏈的等效彈性系數(shù) K1，減小直線動(dòng)子質(zhì)量 M，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。
3.3 機(jī)構(gòu)制作
    由于該步進(jìn)電機(jī)要求具有非常高的精確度，壓電疊堆的位移量也在微米級(jí)，因此在該系統(tǒng)的制作中，應(yīng)充分考慮以下幾個(gè)方面的問題。

機(jī)械加工制作：機(jī)械加工的精度直接決定著該電機(jī)的步進(jìn)精度，其中，直線動(dòng)子和箝位定子之間的配合間隙精度顯得尤為重要，在加工中，采用二者配合加工，并對(duì)其接觸表面進(jìn)行研磨，使其自由狀態(tài)下間隙不大于 3μm；另外，薄壁鉸鏈部分的加工采用線切割工藝，薄壁鉸鏈在加工中要保持第 4 期 劉建芳等： 壓電驅(qū)動(dòng)精密直線步進(jìn)電機(jī)研究 105對(duì)稱，從而在變形中不致產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。

壓電疊堆的安裝和連接：壓電疊堆安裝中要保證有一定的預(yù)緊力，這樣可保證對(duì) PZT 位移量的充分利用，其預(yù)緊程度可通過加預(yù)緊力時(shí)產(chǎn)生的電壓來測量。當(dāng)加預(yù)緊力時(shí)，通過高精度電壓表測量其輸出電壓，當(dāng)電壓值在 2-3V 時(shí)，可視為預(yù)緊效果良好。該壓電步進(jìn)電機(jī)在工作時(shí)，壓電疊堆的伸縮是脈沖性質(zhì)的，因此壓電疊堆（ PZT）與機(jī)械結(jié)構(gòu)的連接緊密程度對(duì)系統(tǒng)的工作性能起至關(guān)重要的作用。

工作過程預(yù)緊：在工作過程中，剛剛預(yù)緊的壓電疊堆可能由于高頻的振動(dòng)和沖擊造成松動(dòng)，所以在工作過程中要經(jīng)過多次預(yù)緊才能達(dá)到最終預(yù)緊的效果。

幾種部件材料選取及材料性能：定子箝位體采用 65Mn 結(jié)構(gòu)鋼，該材料具有較高的彈性模量；直線動(dòng)子同樣采用 65Mn 材料。壓電疊堆采用日本NEC 公司生產(chǎn)的型號(hào)為 AE0505D16 的壓電陶瓷,該陶瓷性能穩(wěn)定，工作可靠。