壓電式粉末驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與測(cè)試*

于 淼，侯 俊，劉金龍，林佳穎，李沈芳，田曉超

(長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

0 引 言

壓電驅(qū)動(dòng)器具有高驅(qū)動(dòng)速度和高位移分辨率等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體加工、精密機(jī)械加工與生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1-4]。然而驅(qū)動(dòng)器受到頻率和電壓的影響，會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)效果不佳[5-7]。為了提高驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)效果，實(shí)現(xiàn)高精度的物料輸送，很多研究學(xué)者通過改進(jìn)壓電驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)來提高其工作性能。Peng等[8]設(shè)計(jì)了一種壓電慣性驅(qū)動(dòng)的微飛行器撲翼機(jī)構(gòu)，通過壓電疊堆帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)撲翼的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)器的最大速度達(dá)到 11.4 mm/s。Min-Ho Park等[9]開發(fā)了一種新型直線壓電驅(qū)動(dòng)器，利用壓電振子使驅(qū)動(dòng)足產(chǎn)生彎曲變形并帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)器工作，速度可達(dá)33 μm/s。臺(tái)灣國(guó)立大學(xué)研制的壓電慣性驅(qū)動(dòng)器[10-11]，采用多自由度結(jié)構(gòu)使裝置分辨力達(dá)到10 nm。朱吳樂等[12]將葉型雙平行四邊形結(jié)構(gòu)與Scott-Russel和半橋機(jī)構(gòu)組成的柔順放大機(jī)構(gòu)相結(jié)合，研制出用于納米定位的平行兩自由度壓電驅(qū)動(dòng)的柔順微動(dòng)平臺(tái)，其共振頻率分別為570 Hz和585 Hz。2018 年吉林大學(xué)設(shè)計(jì)研究的慣性式壓電驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)方向的推力，定位精度高、速度更快[13]。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)設(shè)計(jì)了帶有等寬凸輪結(jié)構(gòu)的直線慣性驅(qū)動(dòng)器[14]，最小步距為1.15 nm。

為了實(shí)現(xiàn)壓電驅(qū)動(dòng)器高精度的粉末輸送，筆者設(shè)計(jì)了一種壓電驅(qū)動(dòng)式粉末驅(qū)動(dòng)器。該結(jié)構(gòu)將三組壓電元件對(duì)稱分布，可實(shí)現(xiàn)粉末的定向定量輸送。在精密加工的自動(dòng)化生產(chǎn)線上，它具有很好的應(yīng)用前景。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓電式粉末驅(qū)動(dòng)器其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主要由驅(qū)動(dòng)臺(tái)、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(wěn)定輸出的作用，基座可以使粉末平穩(wěn)輸送且實(shí)現(xiàn)壓電振子夾緊。

1.2 工作原理

將壓電振子連接驅(qū)動(dòng)電源，調(diào)整到合適的電壓及頻率，使壓電振子振動(dòng)，然后壓電振子的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)臺(tái)上下和左右方向的振動(dòng)來驅(qū)動(dòng)粉末輸送，最后粉末通過振動(dòng)由驅(qū)動(dòng)平臺(tái)大口向小口運(yùn)輸。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源的輸入頻率和系統(tǒng)的固有頻率接近或者一致時(shí)，系統(tǒng)處于共振狀態(tài)，此時(shí)粉末驅(qū)動(dòng)器輸送能力最強(qiáng)，物料通過指定的軌道按照一定的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

2 理論分析

粉末驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。其中，m為驅(qū)動(dòng)臺(tái)的等效質(zhì)量；k為彈簧板和壓電振子等效剛度；c為等效阻尼；x為驅(qū)動(dòng)器垂直方向的振幅。

圖2 簡(jiǎn)化的力學(xué)模型

在諧振激勵(lì)F(t)=f0sinωt的作用下，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為：

(1)

方程兩端同時(shí)除以m并考慮粘性阻尼因子，得到諧波激勵(lì)下的系統(tǒng)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(jìn)一步轉(zhuǎn)化為：

(4)

式中：ζ為阻尼比；wn為系統(tǒng)固有頻率。

穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為：

(5)

將式(5)簡(jiǎn)化為：

x(t)=Xcos(wt-φ)

(6)

可得振幅：

(7)

諧振響應(yīng)的幅值X與諧振激勵(lì)幅值A(chǔ)之間的比值，稱為振幅放大倍數(shù)|H(w)|：

(8)

式中：A=F0/k，得到|H(w)|極大值時(shí)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(yùn)動(dòng)，對(duì)物料速度進(jìn)行分析。軌道的振動(dòng)屬于簡(jiǎn)諧振動(dòng)，假設(shè)軌道的運(yùn)動(dòng)方程為：

S=Bsinwt

(11)

式中：B為軌道的振幅；ω為軌道的振動(dòng)頻率。

可得軌道運(yùn)動(dòng)的速度：

V=Bwcoswt

(12)

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 測(cè)試裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。主要包括顯示器、試驗(yàn)樣機(jī)、數(shù)字調(diào)頻壓電振動(dòng)送料控制器、高精度激光測(cè)微儀、傳感器支撐架、試驗(yàn)臺(tái)、電源、定位臺(tái)等。分別進(jìn)行運(yùn)行速度測(cè)試、輸出位移測(cè)試。

圖3 粉末驅(qū)動(dòng)器性能測(cè)試

3.2 驅(qū)動(dòng)器的性能測(cè)試

3.2.1 驅(qū)動(dòng)器的頻率特性

將粉末均勻放置在驅(qū)動(dòng)平臺(tái)末端，調(diào)整電壓至100 V，設(shè)置頻率采樣周期為1 Hz。測(cè)得驅(qū)動(dòng)頻率與驅(qū)動(dòng)速度、驅(qū)動(dòng)振幅之間的關(guān)系曲線如圖4、5所示。

圖4 頻率對(duì)驅(qū)動(dòng)速度關(guān)系曲線 圖5 頻率對(duì)驅(qū)動(dòng)振幅關(guān)系曲線

由圖4、5可知，驅(qū)動(dòng)速度和振幅隨著頻率的變化先增大后減小，當(dāng)共振頻率為145 Hz時(shí)，驅(qū)動(dòng)速度可達(dá)到1.68 mm/s。頻率過大或者過小時(shí)，驅(qū)動(dòng)器將無法驅(qū)動(dòng)粉末，有效的驅(qū)動(dòng)頻率區(qū)間為115～175 Hz。

3.2.2 驅(qū)動(dòng)器的電壓特性

將頻率調(diào)節(jié)到145 Hz，測(cè)量0～100 V下驅(qū)動(dòng)器的速度和振幅，得到電壓與驅(qū)動(dòng)速度和振幅的關(guān)系曲線如圖6和圖7所示。

圖6 電壓對(duì)驅(qū)動(dòng)速度的關(guān)系曲線 圖7 電壓對(duì)驅(qū)動(dòng)振幅的關(guān)系曲線

由圖6可知，當(dāng)電壓小于20 V時(shí)，驅(qū)動(dòng)器不能輸送物料，當(dāng)電壓大于20 V時(shí)，粉末開始緩慢移動(dòng)，并隨著電壓的增大而迅速增大。由圖7得出，驅(qū)動(dòng)器的振幅隨著電壓的增大而增大，當(dāng)電壓過小則無法實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，振幅過大會(huì)影響驅(qū)動(dòng)器的輸送效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)壓電式驅(qū)動(dòng)器高精度的粉末輸送，設(shè)計(jì)了一種壓電式粉末驅(qū)動(dòng)器。通過力學(xué)模型分析得到影響粉末驅(qū)動(dòng)器性能的影響因素。通過設(shè)計(jì)樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出，當(dāng)系統(tǒng)處于共振頻率為145 Hz，驅(qū)動(dòng)電壓為100 V時(shí)，粉末的移動(dòng)速度達(dá)到1.68 mm/s，振幅可以達(dá)到8.8 μm，此時(shí)驅(qū)動(dòng)粉末的效果達(dá)到最佳。此設(shè)計(jì)在自動(dòng)化加工、裝配及運(yùn)輸領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。