外驱动双向推力型压电步进精密驱动器研究

　　1 引 言

　　压电精密驱动是利用压电材料与机械机构相结合,实现微/纳传动与驱动的高新技术。压电陶瓷元件在驱动时具有纳米级的稳定输出位移精度, 并且驱动线性好、控制方便、分辨率高、频率响应好、不发热、无磁干扰、无噪声等, 同时, 压电驱动器能实现体积小、重量轻、大功率密度的特点。因此在光学工程、微电子制造、航空航天技术、超精密机械制造、微机器人操作、地震测量、生物、医学及遗传工程等技术领域得到了较多的应用。目前压电型精密微驱动技术已成为国内外的重点研究方向[1-5], 步进式的工作原理是根据自然界某些爬虫类动物爬行的方法而提出的, 故称为步进式驱动机构, 这种运动方式又称为蠕动式( inchworm) 。在时序控制电压信号的作用下, 则驱动装置可实现定向运动[6-7]。由于步进驱动的机械结构比较复杂, 因此研究人员采用多种步进方案实现步进运动, 而目前研究最多的为“ walker”型的步进驱动[8-9], 这种步进方式是运动体( 又称动子) 自身产生位移, 形成步进驱动。这样就导致动子结构复杂, 运动过程受到自身的干扰加大, 从而影响驱动器整体的工作特性。

　　本文提出一种外驱动( 或被动驱动) 的工作方式和机械机构, 利用定子箝位和驱动的工作方式实现压电精密步进驱动, 针对压电陶瓷叠堆受拉力和压力特性不同的特点, 提出正反向推力的工作结构, 实现双向工作时的驱动一致。由于该驱动器在工作时, 动子是在外力的推动下工作的, 所用又称为“ Push“er 型驱动[10]。

　　2 结构原理

　　图 1 为外驱动双向推力型压电步进直线驱动器的整体结构原理图。驱动器整体结构主要由 4 部分组成: 与底座相连的中间定子箝位体单元 4; 直线动子单元 1; 由驱动柔性铰链 9、12 以及驱动压电叠堆 8、11 组成的驱动体单元; 通过驱动体单元与中间定子箝位体相连接的运动箝位体单元 6 和 13。

　　以直线动子1向左运动为例, 该驱动器的工作原理过程描述如下:

　　初始时, 各工作单元处于自由状态→左侧箝位压电叠堆3 带电伸长, 箝位柔性铰链2 变形对直线动子进行箝位→驱动压电叠堆11 带电伸长, 由于中间定子箝位体侧与底座相连等于固定, 所以驱动柔性铰链12 向左侧变形, 推动左运动箝位体单元13 向左运动一步δ左, 由于左箝位单元13 与直线动子箝位在一起, 可带动直线动子向左运动一步 δ左→ 中间定子箝位叠堆5 带电伸长, 使中间定子箝位体对直线动子进行箝位→左箝位单元13 与直线动子松开→左驱动叠堆放电回缩, 左箝位体在柔性铰链12 的回复力作用下向右回缩δ左, 回到初始位置→左侧箝位压电叠堆 3 带电伸长, 柔性铰链2 变形对直线动子进行箝位→ 中间定子箝位体松开, 完成一个工作周期。其间, 除直线动子向左步进移动δ左外, 其它工作单元均回到原始位置。重复以上运动过程, 则直线动子以步进的方式被动地向左连续运动, 并且向左运动过程是对载荷端的推力驱动。在整个运动过程中, 中间定子箝位体的右侧部分一直处于自由状态。