一種圓筒形壓電直線電機的設計及實驗研究

陳培洪 王 寅 黃衛(wèi)清

南京航空航天大學,南京,210016

一種圓筒形壓電直線電機的設計及實驗研究

陳培洪 王 寅 黃衛(wèi)清

南京航空航天大學,南京,210016

為研制具有高分辨率、寬頻響、大行程的壓電直線電機,提出了一種基于疊層壓電陶瓷的圓筒形壓電直線電機,并利用碟形彈簧對疊層壓電陶瓷進行預緊。在分析電機工作原理的基礎上對電機的結(jié)構(gòu)進行了設計,并制作了原理樣機,對其進行了實驗研究。實驗測定結(jié)果如下:在一定頻率范圍內(nèi)定子驅(qū)動足輸出振幅最大值為2μm,電機最大無負載速度為3.7mm/s,最大輸出推力為4.3N。

壓電直線電機;疊層壓電陶瓷;碟形彈簧;非共振;實驗研究

0 引言

近年來,壓電作動器在精密定位領域得到了關(guān)注[1]。壓電作動器以其高控制精度、快響應速度、高能量密度、不受電磁干擾、功耗低、無運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)和斷電自鎖等特點,在生命科學、醫(yī)學、生物工程、集成電路制造、超精密加工、光學、測量技術(shù)和微機電系統(tǒng)等領域有著廣闊的應用前景[2-3]。

壓電直線電機是利用壓電元件的逆壓電效應激發(fā)彈性體的微幅振動并通過摩擦將微幅振動轉(zhuǎn)換成動子宏觀的直線運動,從而直接推動負載。直線超聲電機定子一般工作在共振狀態(tài),利用共振放大驅(qū)動足的振幅,以獲得更大的速度和位移輸出。共振狀態(tài)受溫度影響較大,定子共振頻率會隨溫度的改變而發(fā)生偏移,導致工作頻率漂移,影響電機的正常運行。隨著壓電陶瓷制作工藝的發(fā)展,為克服壓電陶瓷輸出應變小的阻礙,疊層壓電陶瓷應運而生[4]。疊層壓電陶瓷在較小的電壓下能有較大的位移輸出,無需共振便有足夠的振幅來驅(qū)動動子,從而提高了作動器的穩(wěn)定性。此外,疊層壓電陶瓷的輸出振幅與輸入電壓成正比,理論上可以達到無限小的分辨率,因此,利用疊層壓電陶瓷制作的作動器可以獲得較高的精度和可控性。目前,國外某些研發(fā)機構(gòu)已經(jīng)應用疊層壓電陶瓷研制出壓電作動器,并實現(xiàn)了工業(yè)應用[5-6]。

本文基于疊層壓電陶瓷研制了一種圓筒形壓電直線電機,在分析電機工作原理的基礎上對電機結(jié)構(gòu)進行了設計,并制作樣機進行了實驗研究。國內(nèi)黃衛(wèi)清等[7]、李艷林等[8]已做過這方面的研究,其中黃衛(wèi)清等[7]研制的電機結(jié)構(gòu)利用的是杠桿原理,驅(qū)動足沿壓電陶瓷輸出方向位移減半,而本文是利用壓電陶瓷直接輸出位移,這與黃衛(wèi)清等[7]研制的電機結(jié)構(gòu)不同。實驗結(jié)果表明該電機可在相當寬的頻帶內(nèi)穩(wěn)定運行。

1 電機結(jié)構(gòu)和工作原理

本文提出的電機結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1a所示為壓電作動器結(jié)構(gòu),由驅(qū)動軸、碟形彈簧、鋼球、陶瓷支撐、疊層壓電陶瓷、前端蓋、后端蓋及圓筒組成。圖1b所示為電機整體結(jié)構(gòu),由定子、夾持裝置、底板及動子組成,其中定子由兩個軸線成90°的圓筒形壓電作動器通過驅(qū)動足連接而成,并通過夾持裝置固定在底板上。

圖1 電機結(jié)構(gòu)圖

疊層壓電陶瓷對正弦信號的位移響應曲線類似于正弦波形[9-10]。通過施加壓電陶瓷兩路相位差90°正弦激勵信號,激發(fā)兩作動器1和2的壓電陶瓷分別沿驅(qū)動軸的軸線方向振動,這兩壓電陶瓷的位移響應也為正弦波形,且空間上相差90°。設作動器1、2的壓電陶瓷的激勵信號對應的振動位移響應函數(shù)分別為式中,A、B為對應壓電陶瓷的位移響應幅值(由于裝配誤差導致的壓電陶瓷的位移響應幅值存在差異);α、β為對應激勵響應的相位角。

可見當兩作動器壓電陶瓷振動位移響應相位差為90°,即對這兩組壓電陶瓷施加相位差為90°的兩相驅(qū)動電壓時,這兩個位移響應在驅(qū)動足端部形成橢圓運動,改變激勵信號的相位,可實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)。驅(qū)動足端部質(zhì)點橢圓運動過程如圖2所示。

圖2 一個周期內(nèi)驅(qū)動足的運動軌跡

從驅(qū)動足運動軌跡圖2可看出,正弦激勵信號驅(qū)動形成的驅(qū)動足軌跡為橢圓,驅(qū)動足在整個周期內(nèi)連續(xù)運動。從(1)到(2)的運動過程中,驅(qū)動足推動轉(zhuǎn)子運動,從(3)到(4)的運動過程中,驅(qū)動足與轉(zhuǎn)子脫離接觸,整個運動過程中由彈簧提供定子與動子之間的預壓力。

2 電機結(jié)構(gòu)設計

2.1 定子結(jié)構(gòu)設計

2.1.1 預緊碟簧的選擇

壓電陶瓷采用江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的QD-YD系列疊層壓電陶瓷,其規(guī)格尺寸為6.5mm×6.5mm×5mm,根據(jù)其性能要求,施加預緊力在300～400N范圍,查《機械零件設計手冊》中關(guān)于碟簧的選型,綜合考慮碟簧的外廓尺寸及變形量要求,選用參數(shù)為D=16mm、d=8.2mm 、t=0.4mm 、h0=0.5mm 、H=0.9mm 的碟簧作為預緊碟簧[11]。

通過實驗的方法,采用兩片碟簧對合組合方式,對所選碟簧進行剛度測量實驗。實驗結(jié)果表明,所選碟簧滿足在變形量為0～1mm范圍內(nèi)提供0～400N彈性力的要求,所用疊層壓電陶瓷預緊力符合要求。測得的碟簧加載與其高度變化曲線及加載裝置如圖3所示。

圖3 碟形彈簧加載實驗

從圖3a中可看出,碟簧在受到300～400N預緊力時其變形量呈線性變化,而碟簧本身是非線性彈性元件(從剛度曲線圖中可看出)。實驗過程中也發(fā)現(xiàn),在這曲線段內(nèi)碟簧加載時不會出現(xiàn)碟簧變形相反的現(xiàn)象,即不會出現(xiàn)碟簧提供彈性力不足的現(xiàn)象。采用此參數(shù)的兩片碟簧對合組合方式滿足碟簧實施微量調(diào)節(jié)來施加疊層壓電陶瓷預緊力的要求,故選取此碟形彈簧作為預緊彈性元件。

2.1.2 預緊結(jié)構(gòu)設計

實驗表明,根據(jù)疊層壓電陶瓷的輸出特性,疊層壓電陶瓷激發(fā)的振幅大小與激勵電壓和驅(qū)動頻率有關(guān),而在一定的壓力作用下,疊層壓電陶瓷輸出位移增加,遲滯度減小[12]。因此壓電作動器需要設計適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)給壓電陶瓷施加一定的預緊力,而為了利用先前通過實驗的方法方便測量壓電陶瓷的預緊力,同時又能夠通過設計一適當?shù)臋C構(gòu)找出壓電陶瓷合適的預緊力,將陶瓷預緊部分結(jié)構(gòu)設計成預緊力可調(diào)的結(jié)構(gòu)。預緊力結(jié)構(gòu)圖見圖4。

由上述碟簧剛度實驗分析可知,采用兩片碟簧對合組合方式施加壓電陶瓷預緊力,其振動位移由陶瓷支撐經(jīng)鋼球傳遞至驅(qū)動軸輸出。壓電陶瓷的位移輸出數(shù)量級為微米級,其陶瓷預緊部分的碟簧變形需滿足:

圖4 預緊力結(jié)構(gòu)圖

式中,F為碟簧產(chǎn)生的彈性力,即施加到壓電陶瓷上的預緊力;Kmax為碟簧變形最大剛度。

如F/K max小于1μm,將影響壓電陶瓷的位移輸出。

驅(qū)動軸與前端蓋之間為間隙配合,在電機工作時允許驅(qū)動偏轉(zhuǎn)。采用鋼球連接方式,一是保證壓電陶瓷的位移輸出沿驅(qū)動軸線方向;二是避免電機工作時因驅(qū)動偏轉(zhuǎn)影響陶瓷的位移輸出,進而影響電機的輸出性能;三是避免陶瓷承受切向作用力。通過調(diào)節(jié)前端蓋進給量使碟簧產(chǎn)生變形,控制其調(diào)節(jié)量以提供合適的預緊力。

2.2 夾持結(jié)構(gòu)設計

電機夾持裝置不但承擔定子與動子的連接,而且具有加載、調(diào)節(jié)預壓力和限制定子自由度的作用,理想的夾持結(jié)構(gòu)應限制定子在空間上的5個自由度,僅保留一個自由度并在這個自由度方向上采用合適剛度的彈性支撐。而因機構(gòu)裝配關(guān)系及零件加工誤差影響,實際夾持結(jié)構(gòu)難以做到只保留定子一個自由度要求,即僅保留y方向平動自由度,其他所有自由度都受限制,圖5所示為實際夾持結(jié)構(gòu)模型。

夾持裝置對定子不完全約束的3個自由度分別對應3個剛度k1、k2、k3,而這3個量的大小及相對關(guān)系將影響整個電機的性能。經(jīng)理論分析,k1、k2、k3需滿足以下條件:

圖5 實際夾持結(jié)構(gòu)模型圖

由上述對夾持結(jié)構(gòu)要求的分析,本文設計的夾持結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 實際夾持結(jié)構(gòu)圖

采用3個圓柱滾子作為支撐點,將電機固定在夾持裝置上并安裝在底板上,整個電機及夾持裝置只能沿y方向移動。通過使預壓力彈簧變形產(chǎn)生彈性力提供電機定子與動子之間所需預壓力,預壓力大小可由力傳感器測量,調(diào)節(jié)其加載大小,使電機工作在穩(wěn)定狀態(tài)。

3 電機實驗研究

3.1 電機的輸出特性

根據(jù)上述設計制作了電機樣機,其壓電作動器實物圖和電機整體實物圖見圖7。

壓電作動器結(jié)構(gòu)尺寸總長為54mm,直徑22mm,除前端蓋采用黃銅外,其他都為硬鋁。電機驅(qū)動足采用45鋼,所用動子為鋼性材料導軌,其夾持裝置及底板均采用硬鋁。

圖7 電機實物圖

3.1.1 定子驅(qū)動足輸出振幅與頻率的關(guān)系

壓電陶瓷輸出位移即為作動器驅(qū)動沿軸線方向的輸出振幅,與驅(qū)動電壓成正比關(guān)系。通過使用Po ly tec公司的PSV-300F-B型高頻掃描激光測振系統(tǒng),測量定子在不同電壓下驅(qū)動足振幅隨頻率的變化。給壓電陶瓷分別施加60V、90V、110V,正向偏置分別為30V、45V、55V 的正弦激勵信號,測量驅(qū)動足端部與動子接觸點的振幅響應,測量結(jié)果如圖8所示。

圖8 驅(qū)動足振幅-頻率曲線

由圖8可知,隨驅(qū)動電壓的增大,驅(qū)動足振幅增大,當驅(qū)動信號頻率小于1.1kHz,電壓為110V時,驅(qū)動足端部振幅在一定頻率范圍內(nèi)保持不變,且最大幅值為2μm。

3.1.2 電機速度與頻率的關(guān)系

電機輸出速度取決于驅(qū)動足的振動速度,而振動速度由振幅和頻率共同決定。圖9所示為電機運行速度隨頻率變化的曲線。從圖9中可以看出,電機速度隨頻率的增大而增大,但當頻率大于1.1kH z時,速度又開始減小。當電壓為 100V,驅(qū)動頻率為1.1kH z時,電機最大無負載速度為3.7mm/s。

圖9 電機速度-頻率曲線

3.1.3 電機機械特性曲線

圖10所示為電機的機械特性曲線。從圖10中可以看出,電機速度隨輸出推力的增大而減小,電機最大輸出推力為 4.3N,此時驅(qū)動頻率為1.05kHz,驅(qū)動電壓為100V。

圖10 電機機械特性曲線

3.2 討論與分析

由于電機工作在非共振狀態(tài),壓電陶瓷的振幅決定了驅(qū)動足端部的振幅,因此可以認為驅(qū)動足端部振幅應與壓電陶瓷類似,在一定頻率范圍內(nèi)保持不變(圖8)。文獻[7]中電機驅(qū)動足結(jié)構(gòu)是利用杠桿將壓電陶瓷輸出位移傳輸?shù)津?qū)動足,其振幅實際減小了一半,與其相比,本文利用壓電陶瓷位移直接輸出到驅(qū)動足端部,提高了驅(qū)動足在垂直于動子方向的橫向輸出振幅。而驅(qū)動足端部沿作動器驅(qū)動方向的振幅影響電機的輸出力,即輸出振幅大,驅(qū)動足與動子接觸時間長,接觸面增大,致使摩擦驅(qū)動所需的正壓力增大,即增大了摩擦驅(qū)動力,使電機輸出力增大。因此,提高驅(qū)動足端部振幅是增大電機輸出力的關(guān)鍵,而疊層壓電陶瓷本身的特性決定了其輸出振幅的大小,主要與以下兩點相關(guān):

(1)提高壓電陶瓷的驅(qū)動電壓。針對疊層壓電陶瓷要求的低壓驅(qū)動,驅(qū)動電壓不能超過110V,否則陶瓷發(fā)熱會嚴重影響性能輸出。

(2)提供壓電陶瓷合適的預緊結(jié)構(gòu)剛度。在電壓一定的條件下,驅(qū)動足的振幅與電機自身結(jié)構(gòu)剛度有關(guān),即與施加壓電陶瓷的預緊力結(jié)構(gòu)剛度相關(guān)。分析并找出合適的預緊結(jié)構(gòu)剛度,是提高驅(qū)動足輸出振幅的前提。

由上述分析可知,電機運行速度與驅(qū)動足端部沿作動器驅(qū)動方向振動速度成正比,所以當驅(qū)動足在這一方向的振幅不變時,可以認為電機的輸出速度與驅(qū)動足端部的振動頻率成正比,即與激勵信號的頻率成正比。從圖9可以看出,電機在實際運行情況下動子的運動速度近似與驅(qū)動頻率成線性關(guān)系,由此可知,非共振式電機可在一定頻率范圍內(nèi)任意頻率點工作且工作頻率可調(diào),這與共振式電機只能在定子共振頻率附近工作有很大的不同。而當驅(qū)動頻率大于1.1kH z時,電機速度減小,分析原因是由于疊層壓電陶瓷固有電容很大,給驅(qū)動器造成很大負擔,驅(qū)動器發(fā)熱嚴重,而且由于電機共振頻率低,容易發(fā)生共振,影響電機運行的穩(wěn)定性。與文獻[7]中電機所使用的壓電陶瓷相同,當驅(qū)動頻率大于2kHz時,因超出了驅(qū)動器的負載能力,所以電機將無法正常運行。

根據(jù)電機的機械輸出特性曲線分析可知,由于電機的輸出推力除了與驅(qū)動足端部振幅有關(guān)外,還與預壓力和摩擦因數(shù)有關(guān),而摩擦因數(shù)取決于驅(qū)動足和轉(zhuǎn)子的材料,這樣,在激勵電壓和頻率一定的情況下,施加于驅(qū)動足與轉(zhuǎn)子間預壓力的大小決定了輸出推力的大小。從圖10可以看出,隨著電機輸出推力的增大,速度呈現(xiàn)出由快到慢的變化趨勢。

4 結(jié)語

本文使用疊層壓電陶瓷設計并制作了一種圓筒形壓電直線電機,分析了電機的工作原理,對電機的結(jié)構(gòu)進行了設計。該電機具有結(jié)構(gòu)簡單、裝配方便等特點。在工作頻率為1.1kH z時,電機的最大輸出速度為3.7mm/s,最大輸出推力為4.3N。

[1] 趙淳生.世界超聲電機技術(shù)的新進展[J].振動、測試與診斷,2004,24(1):1-5.

[2] 趙淳生.超聲電機技術(shù)與應用[M].北京:科學出版社,2007.

[3] Pozzi M,King T.Piezoelectric Actuators in M icropositioning[J].Engineering Science and Education Journal,2001,10(3):31-36.

[4] 李國榮,陳大任,殷慶瑞.PZT系多層片式壓電陶瓷微驅(qū)動器位移性能研究[J].無機材料學報,1999,14(3):418-424.

[5] K im J,Lee Jin-Ho.Self-moving Cell Linear Motor Using Piezoelectric Stack Ac tuators[J].Smart Materials and Structures,2005,14:934-940.

[6] Salisbury SP,Waechter D F.Design Considerations for Comp lementary Inchw orm Actuators[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2006,11(3):265-272.

[7] 黃衛(wèi)清,孟益民.一種新型非共振壓電直線電機的設計[J].中國機械工程,2009,20(14):1717-1721.

[8] 李艷林,黃衛(wèi)清.一種低頻大行程直線型壓電電機的研究[J].壓電與聲:2009,8(4):507-509.

[9] 溫建明.新型慣性壓電疊堆驅(qū)動機構(gòu)的研究[D].吉林:吉林大學,2006.

[10] 陶繼增,王中宇,李程.壓電疊堆在正弦電壓激勵下振動位移特性的研究[J].計測技術(shù),2006,26(6):20-22.

[11] 東北工學院《機械零件設計手冊》編寫組編.《機械零件設計手冊》[M].2版.北京:冶金工業(yè)出版社,1980.

[12] 鄭凱,閻紹澤,溫濕鑄,等.預壓力對壓電疊層作動器性能的影響[J].壓電與聲光,2003,25(5):363-365.

Study on Design and Tests of a Piezoelectric Linear Motor Using Columnar Actuator

Chen Peihong Wang Yin Huang Weiqing
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016

In order to develop piezoelectric linear m otor w ith high resolution,wide frequency response and long stroke,a cy linder type piezoelectric linear motor using piezoelectric stacks which were preloaded by disc sp rings was p roposed.The operating p rinciples o f the m otor were presented,them otor structurewas designed,a prototype w asmade and the experimental study was proceeded.The experimental results show thatw ithin a certain range of frequency the vibration amp litude of the stator driving foot is 2μm,the m aximum no-load velocity of the motor is 3.7mm/s,and the maxim um thrust force of themotor is 4.3N.

piezoelectric linear motor;piezoelectric stack;disc sp ring;non-resonant vibration;experimental study

TM 356

1004—132X(2011)12—1484—05

2010—08—17

國家自然科學基金資助重點項目(50735002)

(編輯 何成根)

陳培洪,男,1985年生。南京航空航天大學精密驅(qū)動研究所碩士研究生。研究方向為新型非共振式壓電直線電機。王 寅,男,1986年生。南京航空航天大學精密驅(qū)動研究所博士研究生。黃衛(wèi)清,男,1965年生。南京航空航天大學精密驅(qū)動研究所教授、博士研究生導師。