壓電精密直線步進電機研究與原理分析

　　曾群

　　摘要：提出一種新型的定子主動箝位方式壓電精密直線步進電機，解決了壓電驅動電機箝位不牢固、步進頻率較低、行程小、速度低等問題。研制的精密電機能夠實現(xiàn)高頻率(100Hz)，高速度(30mm/min)，大行程(>20mm)，高精度，大驅動力(100N)等特點，大幅度提高了壓電型步進電機的驅動性能。研制的該步進電機在精密運動、微操作、光學工程、精密定位等精密工程中具有一定的應用價值。

　　關鍵詞： 壓電陶瓷驅動器;定子箝位;步進電機;薄壁柔性鉸鏈;大行程

　　1 引言

　　近年來，隨著微/納米技術的迅猛發(fā)展 , 在光學工程、微電子制造、航空航天技術、超精密機械制造、微機器人操作、地震測量、生物、醫(yī)學及遺傳工程等技術領域的研究都迫切需要亞微米級、微/納米級的超精密驅動。傳統(tǒng)的步進電機功率—重量比低，而且電機高速運轉后需要減速裝置變速，致使傳動系統(tǒng)復雜、結構累贅。顯然，現(xiàn)有技術已不能滿足工業(yè)領域發(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成的新型電機來實現(xiàn)超精密驅動，近年來此研究已取得了一系列成果，如記憶合金電機、壓電效應電機、電致伸縮電機和磁致伸縮電機等。

　　2 基本原理及結構

　　2.1 定子箝位方式

　　本文研制的壓電直線步進電機整體結構如圖 1所示：主要由定子箝位體和直線動子組成，定子箝位體上安裝有箝位動力壓電疊堆，直線動子上安裝有驅動動力壓電疊堆，各壓電疊堆協(xié)調工作，使直線動子在定子導向孔中運動。箝位機械結構原理如圖 2 所示：定子體固定不動，壓電疊堆在正向電壓作用下伸長推動箝位塊向下運動，壓緊直線動子，從而實現(xiàn)箝位，該雙側薄壁鉸鏈結構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 向的運動，而不產(chǎn)生 x 向運動，從而在鉗位過程中對動子不產(chǎn)生偏轉動力，使箝位牢靠、穩(wěn)定。

　　2.2 直線驅動動子結構

　　為實現(xiàn)直線動子具有大的輸出載荷，并且具有較高的運動頻率，取得剛度適中的中間柔性鉸鏈很重要。直線動子加工出雙薄壁柔性鉸鏈，并沿中心線對稱分布，中間安放用于驅動的壓電疊堆，當壓電疊堆伸長時由于柔性鉸鏈的變形使直線動子沿軸線方向伸長而不會相對軸線偏轉。

　　3 設計及制作

　　3.1 箝位參數(shù)設計

　　在步進驅動中，箝位性能的好壞直接影響步進運動的效果，箝位性能參數(shù)主要為動力學參數(shù)設計，包括箝位力參數(shù)F 和箝位響應頻率參數(shù)P1。大的箝位力可以使箝位牢靠、穩(wěn)定，不會因沖擊而產(chǎn)生位移，從而提高步進重復性精度;高的箝位響應頻率可以使箝位靈敏，實現(xiàn)高頻步進運動，從而形成高速運動。假設箝位塊質量為M，可認為是集中質量即質點。假設系統(tǒng)在自由振動時的撓度曲線和系統(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 x 距離處的任一單元的位移表達式為

　　下面用瑞利能量法對圖4進行分析：設ρ為薄壁鉸鏈單位長度質量，整個薄壁鉸鏈的動能為

　　因為是簡諧振動，可設ym =Asin(ωnt + ϕ)則y m = Aωn cos(ωnt + ϕ)

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

　　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<

　　Ff = Ks ⋅ (F - Fe ) ≈Ks ⋅ F

　　式中 Ks為鉗位塊與動子間的靜摩擦系數(shù)。在F的選取中，壓電疊堆的預緊力Fp，壓電疊堆與箝位塊之間的連接牢固程度，箝位塊與動子之間的間隙大小都對F起很大的影響。壓電疊堆有很高的響應頻率(幾萬Hz)，因此盡可能提高箝位機械結構的固有頻率可使整個系統(tǒng)的工作頻率P提高。另外，在工作中，箝位系統(tǒng)的響應頻率P1和直線動子系統(tǒng)的響應頻率是一致的，所以箝位系統(tǒng)的固有頻率和直線動子系統(tǒng)的固有頻率應盡量趨于一致。

　　3.2 直線動子參數(shù)設計

　　直線動子是整個系統(tǒng)的運動部件和動力輸出裝置，其參數(shù)設計中同樣包括推力參數(shù) F 、步進量參數(shù)∆L 和頻率參數(shù) P2。該系統(tǒng)的變形如圖 5 所示，當左側箝位后，可看作緊固連接，右側為在力的作用下產(chǎn)生變形，兩側的薄壁鉸鏈可看作兩串連的彈簧模型。參數(shù)之間關系為

　　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 為薄壁鉸鏈動力學模型的當量彈性系數(shù); ∆L 為直線動子的變形位移量。因為該驅動過程非常復雜，涉及到壓電疊堆的響應時間，輸出載荷的加速度變化，內部能量損耗等，所以這里采用了當量彈性系數(shù) K1、有效推力 F、有效輸出載荷 Fw等對系統(tǒng)進行描述。該驅動部分運動時，壓電疊堆具有與箝位部分相同的運動頻率，所以，為了提高整體系統(tǒng)的頻率，應盡可能的提高直線動子機械系統(tǒng)本身的固有頻率。但是直線動子部分與定子箝位部分不同，定子箝位系統(tǒng)的固有頻率一旦設計完成，是一個固定不變的量，而直線動子系統(tǒng)的固有頻率則隨著輸出載荷的變化而變化，是一個變化的量。由材料力學和振動力學知識可以推導出其變化函數(shù)關系:

　　式中 M 為薄壁鉸鏈一側直線動子質量; Mw 為外部載荷物體質量; F0 為薄壁鉸鏈上的預緊力; e 為直線動子的振幅。設計直線動子時，在滿足強度條件和步進位移量的前提下，應盡量提高薄壁鉸鏈的等效彈性系數(shù) K1，減小直線動子質量 M，使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。

　　3.3 機構制作

　　由于該步進電機要求具有非常高的 度，壓電疊堆的位移量也在微米級，因此在該系統(tǒng)的制作中，應充分考慮以下幾個方面的問題。

　　機械加工制作：機械加工的精度直接決定著該電機的步進精度，其中，直線動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，并對其接觸表面進行研磨，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： 壓電驅動精密直線步進電機研究 105對稱，從而在變形中不致產(chǎn)生偏轉。

　　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緊力，這樣可保證對 PZT 位移量的充分利用，其預緊程度可通過加預緊力時產(chǎn)生的電壓來測量。當加預緊力時，通過高精度電壓表測量其輸出電壓，當電壓值在 2-3V 時，可視為預緊效果良好。該壓電步進電機在工作時，壓電疊堆的伸縮是脈沖性質的，因此壓電疊堆( PZT)與機械結構的連接緊密程度對系統(tǒng)的工作性能起至關重要的作用。

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

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

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