压电型步进精密旋转驱动器

　　1　引　言

　　由于压电陶瓷元件具有响应迅速、出力大、位移分辨率高、机电转换率高以及结构紧凑等优点,国内外研究人员已利用其开发了相当多的微小型精密驱动机构[128],并在精密加工、精密光学、微机电系统、航空航天技术以及生物医学工程等领域展现出广阔的应用前景[628]。但是目前研究开发的精密驱动机构往往存在着驱动位移最小分辨率和足够大的运动行程不能兼顾的问题[9210],阻碍了压电驱动器更好地应用到实际工程当中。

　　结合压电陶瓷材料的优点以及其线性性好的特点,本文设计开发了一种新型的压电型精密旋转驱动器,利用压电叠堆元件作为电2机械转换机构,通过柔性铰链实现对转子的箝位和驱动作用。此外,由于转子无绕线结构,使得驱动器可以在任意位置启动,并实现在整个圆周上的大行程旋转。设计、开发了驱动器样机,并从旋转运动行程、旋转分辨率以及驱动器运动稳定性等方面进行了实验研究。

　　2　结构原理

　　图1所示为压电驱动型精密旋转驱动器的样机。由柔性铰链实现精密旋转运动的导向和弹性回复作用,同时将上下两层结构联系在一起;此外上下两层结构各通过一组柔性铰链实现对转轴的箝位作用,所有柔性铰链的机械加工采用线切割方式完成。为得到较大的变形量、同时保证较好的回弹性,需要材料的σ/E尽可能的大,样机采用工程中用作弹簧钢的65 Mn,其泊松比δ=0.288;弹性模量E=2×GPa;密度

。

　　工作中,底层通过4个螺纹孔固定在驱动器壳体上,上层为转动层,转动层与固定层之间以柔性铰链连接。驱动压电叠堆通过图示的驱动转换机构作用到上层,从而当其带电伸长时,能推动上层机构旋转一微小角度;当其断电回缩时,上层机构在连接上、下两层的柔性铰链的弹性回复作用下,恢复到原始位置。

　　当开始工作时,在电源时序电压信号的作用下,上层的箝位机构先钳紧转子;随后驱动叠堆在时序电压作用下马上受电伸长,转子在上层箝位机构的带动下转动一微小角度;底层箝位机构随之钳紧转子;上层箝位机构松开;驱动叠堆断电回缩;最后,底层钳位机构松开,这就完成了驱动器一个驱动周期的动作。当电源连续供电时,驱动器转子就会有连续的旋转运动输出。

　　3　理论分析

　　对于压电材料,当温度低于居里温度时表现出压电特性。在电场作用下,对单层压电陶瓷片而言,有

　　S=dE , (1)

　　式中:S为应变,S=Δl/l;d为压电常数(m/V);E为电场强度(V/m)。

　　式中:Δl为压电陶瓷片所用方向施加电压后变形量(m);l为压电陶瓷片在所用方向上长度(m);b为压电陶瓷片的厚度(m);U为外界施加电压(V)。