尺蠖驱动器箝位机构的优化设计

　　柔性铰链机构具有无机械摩擦、不需要润滑、体积小、运动灵敏度和分辨率高等优点. 压电叠堆具有形状尺寸灵活、响应快、输出负载大及运动准确等特点，成为微驱动系统中广泛应用的固体致动器. 采用压电叠堆驱动的柔性铰链结构，具有直接传动、结构紧凑、重量轻、位移分辨率高等优点. 近年来，柔性铰链结构作为关键部件在精密驱动定位机构中有广泛的应用，其性能直接决定着机构整体的表现，这些性能包括柔性铰链的刚度、应力及固有频率等，其中刚度性能尤为重要[1]. 柔性机构与压电叠堆的刚度匹配决定了耦合系统的性能，对于高速稳定性要求比较高的应用，要求柔性机构的固有频率越高越好，同时还要保证机构的变形范围和应力要求.为满足尺蠖驱动器箝位机构输出力大、响应速度快和结构紧凑的工作要求，本文设计了单切口柔性铰链桥式箝位机构，目前文献中一般使用该构型作为放大机构[2-6]，本文直接利用其弹性变形特点实现 y 方向的直接伸长箝位. 给出了该机构的理论模型，通过刚度和固有频率的实验对其理论分析结果及其 ANSYS 有限元程序结果进行了验证，并利用有限元方法分析了该柔性机构特征参数对箝位机构静动态性能的影响.

　　1 箝位机构的设计分析

　　压电叠堆是位移输出元件，其运动类似于弹簧. 因此，压电叠堆的输出位移和输出力与柔性机构的刚度有关. 压电叠堆需要通过柔性机构把力、位移等输出，因此柔性机构的设计是箝位机构设计中的一项重要工作，柔性机构的合理性和有效性很大程度上决定了箝位机构的性能. 要保证箝位机构具有很大的输出力( 或输出位移) 和较快的响速度，既要求箝位机构的刚度相对于压电叠堆比较小，还需要具备较高的固有频率. 而经验表明，机构的刚度越大，它的固有频率越高. 因此，在设计时需要将刚度与固有频率同时考虑，原则上在保证后者及满足行程的前提下尽可能地增大刚度.

　　箝位机构中采用柔性机构提供箝位摩擦面，可以有效防止压电叠堆受到非轴向作用力; 另外，柔性机构还可以提供压电叠堆高效运动所必需的预紧力. 如图1 所示，该箝位机构沿 x 轴和 y 轴对称，为使结构紧凑，采用单切口的直圆柔性铰链，8 个柔性铰链相对于6 个柔性铰链具有更加平均的应力分布，可以有效防止疲劳破坏. 压电叠堆的预紧通过下面的可调结构来实现，大大降低了加工要求.

　　图 2 所示为压电叠堆 ( piezoelectric stack，PZTstack) 在自由状态 A 和弹性预紧状态 B 下的变形对比[7]. 压电叠堆和柔性机构的刚度分别为 kPZT和 kframe，压电叠堆无预紧时的最大变形为 δPZT，max. 设 x01表示可调预紧时调节螺母的进给量或干涉预紧时的干涉量，y01表示预紧后柔性机构的变形，对于箝位摩擦间隙可调的箝位机构，箝位柔性机构的变形近似为零，因此箝位机构的预紧变形量 y01可以用于估计柔性机构的应力. 由于预紧力的作用，压电叠堆的零点偏移量为