压电双晶片型旋转精密驱动器动态特性和控制

    利用压电元件动态特性工作的冲击式驱动器(IDM)具有行程大、分辨率高、结构紧凑等特点，已经发展为精密驱动领域中一项独特的驱动型式，在光电产品装配、精密器件微制造、生物工程和表面原子级测量等领域得到日益广泛应用. 例如:超真空用精密位移装置，医用细胞操作装置，微型机器人手臂，扫描隧道显微镜和铅笔大小的放电装置^{［1 －3］}. 但目前的冲击式驱动器普遍采用压电叠堆为驱动元件. 由于压电叠堆变形量较小，抗拉能力弱，受结构限制不易连接较大质量的冲击块，驱动能力受到限制，且压电叠堆成本较高.本文研制了以压电双晶片为驱动单元，利用其动态特性的新型冲击式旋转精密驱动器. 建立了冲击式压电双晶片型旋转精密驱动器的动力学模型，对其动态性能及驱动方式进行了仿真分析和实验对比研究. 为克服冲击式驱动器的原有缺点提供了新的方法.

     1 驱动器结构和运动原理

    1. 1 驱动器的结构组成

    冲击式压电双晶片型旋转精密驱动器的结构简图如图 1 所示. 压电双晶片 1 和冲击质量块 2构成驱动单元. 压电双晶片一端与轴固连，另一端自由，形成了悬臂梁式结构，在其自由端固连一质量块.

    基座 3、输出转轴 4、弹簧 5、柔性铰链 6 和螺旋千分头 7 等构成了支撑单元. 轴通过滑动轴承支撑在基座上. 调整螺旋千分头改变弹簧压紧可以调节输出轴与轴承之间的摩擦力矩值.

    1. 2 驱动器的运动原理

    由于压电晶体的逆压电效应，在电信号作用下压电双晶片会产生弯曲变形，带动其自由端的冲击质量块运动并产生惯性力，惯性力方向与输出转轴的轴线方向交错垂直，形成惯性力矩.

    如果对压电双晶片施加合适的驱动电信号，便可以利用质量块产生的惯性力矩推动输出转轴转动，输出转角. 冲击式压电双晶片型旋转精密驱动器的驱动电信号电压波形为图 1 所示锯齿波.

    驱动电信号电压波形沿斜坡① 变化至②，压电双晶片的自由端带动质量块在驱动电信号作用下慢速顺时针(或逆时针)摆动，产生较小的逆时针(或顺时针)惯性力矩，输出转轴静止不动或逆时针(或顺时针)旋转一小步. 驱动电信号电压到达波形斜坡顶端位置② 后，电压波形突变至位置③，压电双晶片的自由端带动质量块急停、快速逆时针(或顺时针)摆动，形成较大的顺时针(或逆时针)惯性力矩，推动输出转轴顺时针(或逆时针)转动一大步. 驱动电压波形位置③ 开始下一个斜坡，进入下一个工作循环. 在连续 RAMP 电信号作用下驱动器的输出转轴可顺时针(或逆时针)转动.