压电驱动器在精密机械中的应用

　　1 引 言

　　随着科技的发展，微纳米技术在机械领域中占有越来越重要的地位。微机械技术、微纳米测量技术和微系统技术已成为当今世界机械高新技术领域内的研究热点，也是纳米科技研究的一种关键技术。微位移系统是微机械系统中的一个主要研究领域和主要组成部分，得到科技界和产业界的广泛重视。而用常规的伺服电机驱动及精密丝杠传动等方式很难实现，由此人们开发出了一系列新型微位移驱动器件，压电驱动器就是其中的一种，它以位移控制精度高、响应快、驱动力大、驱动功率低和工作频率宽等优点，在精密机械中的应用已日趋广泛。

　　2压电驱动器工作原理

　　压电驱动器由压电陶瓷材料锆钛酸铅(PZT)制造而成，压电驱动器利用的是压电陶瓷的压电逆效应原理，当在其两端施加与其极化电压极性相反的电压时，压电陶瓷就会缩短，如果施加与其极化电压极性相同的电压时，压电陶瓷便会伸长(但总体积不变，如图 1 所示，施加交流电压时，将交替地伸长和缩短。压电驱动器驱动位移随电压变化曲线如图2所示，所以，通过控制压电陶瓷两端施加的电压，便可控制其位移输出。

　　3压电驱动器性能和特点

　　3. 1压电驱动器特点

　　(1)不需传动机构，位移控制精度高，可达O.O1N.,mo

　　(2)响应速度快，约为10 }., s，无机械吻合间隙，可实现电压随动式位移控制。

　　(3)有较大的力输出，约为3.9 kN儿m`

　　(4)功耗低，比电磁马达式的微位移器低1个数量级，并目‘当物体保持一定位置(高度)时，器件儿乎无功耗。

　　(5)它是一种固体器件，易与电源、测位传感器、微机等实现闭环控制。目‘比磁控合金和温控形状记忆合金等其它微位移器件体积要小得多。

　　3.2压电驱动器的位移性能

　　如果采用中板烈压电陶瓷YZT} lcm厚的PGT要想得到10 N., m左右的驱动位移，则两端需要施加5 kV的电压日。给PG1施加如此高的电压，可能会使绝缘击穿而引起机械的破坏，发生危险。囚为压电陶瓷的变形量与厚度无关，由此人们开发出了层誊式压电驱动器。如图3所示，将压电陶瓷做成很薄的薄片(现在已经能制造出了0.05 mm的压电陶瓷薄片，将多片压电陶瓷片，采用机械上串连、电路上并连，然后烧结在一起的方式制成。这样，给它施加数白伏的电压便可得到很大的驱动位移。以我国电子工业部第二i一六研究所制造的WTDS-1K我U压电驱动器为例，尺寸7x5x25 mm，施加300 V电压，驱动位移)10 p., m o

　　在应用，压电驱动器如此小的驱动位移有时候不能满足应用的需要，故此需要设计相应的位移放大机构，以将其驱动位移进行放大。囚此，人们又开发出了体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵敏性高的柔性铰链，用于构成位移放大机构，如图4所示。利用杠杆等放大原理，可设计出精度非常高的柔性铰链一体化结构的微位移放大机构。但利用放大机构，压电驱动器的响应快、体积小、输出力大等优点随着放大倍数的提高而减弱。