尺蠖型压电直线驱动器的运动稳定性分析

　　尺蠖型压电驱动器( inchworm2type piezoelectricactuator)是开发人员仿照自然界的尺蠖运动设计开发的,利用压电元件的逆压电效应推动钳位机构和驱动机构交替作用,使直线动子在直接钳位摩擦力作用下,输出连续的精密位移[1—6].同其他类型新式驱动器相比,尺蠖型压电驱动器具有定位精度高、运动行程大、承载能力强、响应迅速等优点,因此有关工作成为近年来的研究热点[3—6].相关成果在超精密加工、微细加工与微细操作、生物医学工程、精密测试仪器和其他相关领域展现出广阔的应用前景[7—12].

　　但目前涉及尺蠖型压电驱动器的运动稳定性的分析研究还比较少,也缺乏对尺蠖型压电驱动器的运动稳定性进行评价的合适的方法,这对驱动器的实际工作是不利的.

　　本文在前人研究工作的基础上,通过理论分析和实验研究相结合的方法,较为系统地研究了尺蠖型压电直线驱动器的运动稳定性问题,提出了评价驱动器运动稳定性的方法,为驱动器的实际工作奠定了一定的基础.

　　1　驱动器工作原理

　　与自然界的尺蠖运动类似,尺蠖型压电驱动器通过压电元件的逆压电效应推动钳位机构和驱动机构交替作用,使直线动子在直接钳位摩擦力作用下,输出连续的精密位移.笔者开发的尺蠖型压电直线驱动器结构原理如图1所示,驱动器的驱动单元和钳位单元彼此分离,其中钳位单元设计在定子上,而驱动单元设计在直线动子上.因此在定子和动子内部均有柔性铰链机构和电器元件,钳位单元和驱动单元彼此分离,可以有效避免两者交互作用时附加变形的影响,提高驱动器的稳定性.

　　2　直线动子特性分析

　　驱动压电叠堆被设计在动子上,采用线切割方式在动子机械主体结构上加工用于伸长的直角柔性铰链和预紧柔性铰链,其中伸长柔性铰链在压电叠堆作用下实现动子的步进伸长,预紧柔性铰链通过预紧螺钉对驱动压电叠堆实现有效的预紧.

　　图2为设计的驱动器直线动子,动子由动子机械结构主体、驱动压电叠堆及预紧螺钉构成.工作中,驱动压电叠堆在时序驱动信号作用下,会产生连续的伸长2缩短运动.

　　当驱动电压确定的情况下,压电叠堆的伸长量也是确定的.动子单步输出的位移若为ΔL′(t),当驱动电压频率为f时,动子的运动速度为

式中:υ为动子的运动速度,m/s;f为驱动信号频率,Hz;ΔL′(t)为动子单步输出位移的平均值,m;ΔL′(t)为动子某一步输出的位移,m.

　　当施加到驱动压电叠堆上的电压不同时,动子单步输出的位移ΔL′(t)也不同,运动速度也随之不同为了分析驱动器直线动子工作中的变形和应力分布情况,采用有限元仿真的方法模拟实际工作环境,得到了直线动子应力分布等值云图和变形等值云图,如图3所示.