新型压电流体混合驱动精密位移机构

　　引言

　　随着科学技术的进步,光学、电子、航空航天、机械制造、机器人、生物工程、医学及遗传工程等技术领域都对亚微米、纳米级的微位移定位技术的发展予以极大的关注[1～10]。目前常见的微进给定位机构(也称精密位移机构)是利用弹性变形、直线电机、机械传动、电磁力及智能材料(压电陶瓷、电致伸缩、磁致伸缩、记忆合金等)[5]驱动的。而压电驱动微进给定位机构以其响应快、控制方便、低电压驱动、无电磁干扰等优点,在微位移定位机构中得到了广泛的应用[4,11]。

　　本文提出了一种新型压电流体混合驱动精密位移机构,通过闭合液压系统实现力和位移输出,以满足高精度、大行程、大输出推力的使用要求。

　　1　结构及工作原理

　　本文提出的精密位移机构系统如图1所示,它包括电控单元与机械单元两部分。机械单元主要包括动力缸1和2、弹性隔膜3、换向阀4、执行缸5、开关阀7。基本原理是利用动力缸中的压电叠堆产生微小变形改变动力缸的腔体容积由弹性隔膜驱动流体,在换向阀的控制下实现执行缸两个腔体内流体交换,从而将压电叠堆的振动转换成执行缸活塞6的直线运动。电控单元主要由电源9和压力传感器8等构成,为动力缸和换向阀提供满足一定功能要求的电压信号,并根据压力传感器的反馈调节电压信号。

　　工作时两个动力缸中压电叠堆的驱动电压相位差为180°,其产生长度变形的方向相反(一个伸长,另一个缩短),一个振动周期内的变形规律如图2所示。结合图1、图2,此机构的工作过程可以描述为:在0～T/4时间段,动力缸2中的压电叠堆伸长(自然长度→最长),同时动力缸1中的压电叠堆缩短(自然长度→最短),动力缸腔体B容积减小、A容积变大。此时,压电换向阀阀口a、c导通(b、d截止),则动力缸腔体B和执行缸腔体D相通、动力缸腔体A和执行缸腔体C相通,压力流体从腔体C进入腔体D,推动执行缸活塞以一定的速度沿D→C方向运动;在T/4～3T/4时间段,动力缸2中的压电叠堆缩短(最长→自然长度→最短),同时,动力缸1中的压电叠堆伸长(最短→自然长度→最长),致使B腔容积增大、A腔容积减小,此时换向阀换向,即阀口b、d导通(a、c截止),则腔体B与C相通、腔体A与D相通,压力流体继续由腔体C进入腔体D,同时推动执行缸活塞继续沿D→C方向运动;在3T/4～T时间段,动力缸2中的压电叠堆伸长(最短→自然长度)、动力缸1中的压电叠堆缩短(最长→自然长度),阀口和各个腔体的工作状态与0～T/4时间段相同,流体依然推动执行缸活塞沿D→C方向运动。至此压电叠堆完成一个振动周期,如此反复即可使执行液压缸中的流体连续不断地由腔体C流进腔体D,推动活塞6以微小步长作直线运动。上述分析假定换向阀4的驱动信号与动力缸1的驱动信号同相位,当改变换向阀4的信号相位时(与动力缸2的信号同相位),则执行缸活塞沿C→D方向运动,工作过程同上。动态切换换向阀4的信号相位,可对执行缸活塞位置进行实时调整。