新型压电精密步进旋转驱动器

　　Abstract:A novel piezoelectric (PZT) precision step rotary actuator was developed based on the PZT technology. It adopts the principle ofbionics andworkswith a inside anchoring/loosening of the stator and a distortion structure of the uniformly distributed thin flexible hinge to solve the problems such as ineffective anchoring/loosening, low step rotary frequency, small trave,l poor resolution, low speed and unsteady outpu,t etc. The developed actuator is characterized by high frequency(30 Hz), high speed (380μrad /s), large travel (>270°), good resolution (1μrad/step) andwork stability. It improves significantly the drivability of the existing PZT step rotary actuator, can be applied in the field of micromanipulation and precision engineering, such as precision driving and positioning, optics engineering, etc.

　　近年来作为超精密操作技术的核心,微/纳米级的驱动技术及其相关领域成为人们研究的热点^{[1, 2]} 。压电驱动的位移或运动精度可达微米、纳米量级,同时具有线性好、控制方便、位移分辨率高、频率响应好、不发热、无噪声等优点,因而具有广阔的应用前景^{[3, 4]} 。压电步进超精密驱动技术是这个领域的一项新型技术^[5-8] 。作者结合前人的研究成果,开发了一种新型压电步进旋转驱动器,分析了驱动器工作原理,研究了机械结构特性,并对驱动器性能进行了试验测试。

　　1　结构和原理

　　步进运动实现的三个条件为:箝位的动作过程;驱动过程;必须有箝位和驱动的时序关系,即二者的协调配合过程。图1为精密步进旋转驱动器的工作原理图,其工作方式为箝位2步进2箝位。由于该工作方式与自然界中的爬行动物的爬行方式相似,所以又称作仿生型步进式旋转驱动机构。

　　该驱动器的转子总成上有动力盘和柔性铰链。动力盘通过盘上结构的变形把驱动陶瓷的直线运动转化为旋转运动。初始状态时动力盘处于自由状态,左箝位压电陶瓷箝位,右箝位压电陶瓷松开。若要实现顺时针方向转动,则按如下步骤进行:①左压电陶瓷通电箝位;②右压电陶瓷松开;③驱动压电陶瓷带电伸长带动动力盘及转子右端旋转一个角度θ;④右压电陶瓷由松开变为箝位;⑤左压电陶瓷由箝位变为松开;⑥驱动压电陶瓷断电恢复原长,转子左端(图1中示)在驱动压电陶磁恢复原长的同时靠铰链的弹性旋转一个角度θ。这样就完成了一个动作循环,机构沿顺时针方向转动了一步。重复上述步骤,则精密驱动器可实现顺时针连续步进旋转。同理可以实现机构的逆时针旋转。

　　该驱动器的结构布局如图2所示。动力盘上设计有柔性变形铰链,通过铰链的变形可以把驱动陶瓷的直线运动转化为动力盘的旋转运动,从而通过与动力盘连接的左右两个转子连接盘实现连续步进旋转运动。左右箝位体上均设计有柔性铰链,在箝位压电陶瓷的推力下可以产生变形,对两侧转子进行箝位。两侧箝位体上侧还设计有压电陶瓷预紧调整装置,可安装螺旋微调器对压电陶瓷进行预紧。