新式压电精密旋转驱动器

    近年来精密定位机构在诸多应用领域需求量日益增加,如精密加工、微机电系统(MEMS)、光学工程(SPM、STM、SEM)等。这些应用要求定位机构具有分辨率高及运动行程大,且要求结构简单、紧凑。因此,国内外研究人员研发了多种精密定位机构,其大部分基于尺蠖运动原理^[1–6]或惯性冲击原理(IDM)^[7–10]实现精密直线运动或旋转运动的。压电陶瓷元件作为一种智能型材料,具有响应迅速,输出力大,位移分辨率高及结构紧凑等优点。因此,本文作者利用压电叠堆作为电2机械能转换机构,设计开发了一种新型精密旋转驱动器,通过柔性铰链实现对转子的钳位和驱动作用。驱动器动子可在任意位置启动,并实现在整圆周的大行程旋转。该驱动器具有结构紧凑,运动分辨率高,行程大等优点。

    1　结构原理

    图1为驱动器样机。主体机械结构由上、下两层构成,两层间由两组对称的柔性铰链联结在一起;工作中,底层通过4个螺纹孔固定于驱动器壳体上;上层为转动层,驱动叠堆通过驱动转换机构推动上层转动,转动层与固定层之间以柔性铰链连接,它实现精密旋转运动的导向和弹性回复作用;此外,上下两层结构上各有一组对称布置的柔性铰链交替实现对转子的钳位作用。所有柔性铰链采用线切割方式加工而成。为得到较大的变形量、同时保证较好的回弹性,样机采用工程中用作弹簧钢的65Mn,其泊松比σ=0.288;弹性模量为2×10¹¹GPa;密度ρ=7.854 g·cm^-3。

     工作中,驱动器未供电前,操作者可将转子旋转到任意位置;当驱动器电源供电后的初始时刻,转子同时被上、下两层钳位机构钳紧;当开始工作时,在电源时序电压的作用下,上层的钳位机构在钳位压电叠堆的作用下钳紧转子,底层钳位机构松开;随后驱动叠堆在时序电压作用下马上受电伸长,转子在上层钳位机构的带动下转动微小角度;底层钳位机构随之钳紧转子;上层钳位压电叠堆断电回缩使该层的钳位机构松开;驱动叠堆断电回缩,上层机构弹性回复到原始位置;最后,上层钳位机构再次钳紧转子。以上完成驱动器一个驱动周期的动作,若旋转驱动器是在电源连续的时序电压信号作用下,转子将有连续的旋转运动输出。

    2　理论分析与仿真研究

    在电场作用下,对单层压电陶瓷片则有

式中　S₃为压电片沿厚度方向的伸缩应变;d₃₃为压电片沿厚度方向的压电常数;E₃₃为电场强度;Δl为单层压电陶瓷片的变形量;V₃为沿压电片厚度方向所加的电压;t为压电片厚度。

    由于单层的压电陶瓷片最大变形量不能满足工作需求,因此采用压电叠堆(积层式压电位移器)作为驱动元件,构成压电叠堆的各层压电陶瓷片之间在机械上串联,在电学上并联,因此在V₃作用下,压电叠堆总的变形量为各层压电片变形量之和,则