压电双晶片型二维惯性冲击式精密驱动器

　　Abstract:A new precise actuatorwith 2 degrees of freedom for translational and rotationalmotions actuated by the impact force of an end2loaded piezoelectric bimorph cantileverwas proposed. The dynamic characteristics of the piezoelectric bimorph was studied by FEM and experimentalmeasurements. A control system of the actuator based on the fixed2frequency and adjustable2amplitude voltage was tested. The actuator performance on translational and ratationalmotionsweremeasured. Results show that the proposed actuator is charaterized by simple structure, large travel range, strong driving ability and high positioning resolution. Its cost is estimated only 1% of the traditional impact actuators.

　　0　引　言

　　近些年来,在光电产品装配、精密器件微制造和表面原子级测量等领域,以压电元件为核心的高精度定位驱动器得到广泛应用。其中,利用压电元件动态特性的惯性冲击式驱动器(IDM)在精密驱动领域已经发展为一项独特的驱动型式^[1-3]。例如:超真空用精密位移装置、微型机器人手臂、扫描隧道显微镜和铅笔大小的放电装置,以及基于惯性冲击原理的产品化装置如微机械的自动装配装置、医用细胞操作装置^{[ 4-8]}。但目前的惯性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、抗拉力弱、受结构限制不能连接较大质量的惯性块,驱动能力受到限制,且压电叠堆成本较高,为压电双晶片的百倍以上。作者针对以上缺点,研制了以压电双晶片为驱动单元,以特定方式驱动的新型二自由度惯性冲击式精密驱动器。与传统惯性冲击式驱动器相比,由于压电双晶片变形量较大且能双向变形,连接较大冲击质量简便可靠,成本低于压电叠堆,因此具有成本低、结构简单、驱动能力强、行程大、分辨率高等优点。

　　1　驱动器结构和工作原理

　　压电双晶片型二自由度惯性冲击式精密驱动器的结构简图如图1所示。

　　图1中压电双晶片和冲击质量块构成旋转驱动单元,另一个压电双晶片和冲击质量块构成移动驱动单元。压电双晶片的一端与轴固连,另一端自由,形成了悬臂梁式的结构,在其自由端固连一质量块。利用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。悬臂梁式结构压电双晶片的自由端变形量δ为^[8]：

　　式中:d31为压电常数;V为施加在双晶片上的电压;L为双晶片的长度;h为压电晶片的厚度;Ω由式Ω=和a=确定。其中ω为驱动电压的角频率;E、I、A、ρ分别为双晶片的弹性模量、惯性矩、横截面积及密度。

　　压电双晶片带动其自由端的质量块可以产生惯性力,移动驱动单元中质量块的惯性力Ft方向与轴平行,旋转驱动单元中质量块的惯性力方向与轴的轴线方向交错垂直,形成力矩Tt: