新型压电步进旋转驱动器

　　Abstract:Based on the construction analysis of themechanical structure of the rotary actuator, amathematical model was built for the precision rotary actuator with the PZT stack as actuating elemen.t The developed actuator prototype was tested and its angular resolution, rotating stability, rotating speed and carrying capabilityweremeasured. The results showed that the actuatorprototypeworks stably and reliably, its rotating speed can reach 2990. 6μrad/s, the torque output is 0. 147 N·m, the minimum stepping angle(angular resolution) is less than 0. 32μrad, and the rotor can rotate around the axis for360°continuously.

　　国内外研究人员利用压电陶瓷元件开发了多种微小型精密驱动机构^[1-8] ,其中有用于精密位移补偿的微动台^[4] ,有用于直线驱动的驱动机构^{[1-3, 7]} ,也有用于精密旋转驱动的机构^{[6, 8]} 。这类驱动器由于自身的优点在精密加工、精密光学、生物医学工程、微机电系统以及航天技术等领域展现出了广阔的应用前景^[9] 。但目前涉及精密旋转驱动机构的研究报道较少,研究开发的精密旋转驱动机构其旋转分辨率大都在1μrad左右,难以满足更为精确的工程应用需求,另外旋转运动行程往往也有一定的局限^[6] 。

　　作者在前人研究工作的基础上设计了以压电叠堆为驱动元件的精密旋转驱动器,采用带有柔性铰链的钳位机构和弹性回复机构,减少了驱动器的零部件数量,通过增大驱动压电叠堆到转子轴线的距离,提高了驱动器的旋转运动分辨率。对机械结构进行了理论分析和仿真研究,并对试制样机的性能指标进行了实验测试,测试结果表明,所开发的旋转驱动器在性能上较其他结构有很大的提高。

　　1　旋转驱动器机械结构

　　图1(a)为旋转驱动器机械结构的三维视图,图1(b)为驱动器样机的照片。

　　上、下两层各有两组对称的柔性铰链对转子交替起钳紧/松开作用;上层和下层之间由4个薄壁柔性铰链连接,柔性铰链实现精密旋转运动的导向作用和弹性回复作用。为得到较大的变形量、同时又要保证结构具有较好的回弹性,本文主体机械结构选用工程中用作弹簧钢的65Mn,其性能参数见表1。

　　机械结构中由上、下两层对称的钳位机构交替对转子起到钳位作用,钳位机构的圆弧半径与转子半径尺寸基本相同。工作中,底层机构通过4个螺纹孔装配到驱动器壳体上;上层机构为转动层,上层与底层之间通过柔性铰链连接。有限元分析表明:底层机构进行约束后,沿X方向在转动层上施加一定大小的力后,转动层会绕动子轴线转动微小角度,此时若上层的钳位机构已经钳紧转子,就会带动转子转动。