压电型步进旋转精密驱动器研究

    1　引言

    近年来,随着微/纳米技术的迅猛发展,在光学、电子、航空、航天、机械制造、机器人、地震、生物、医学及遗传工程等技术领域都迫切需要亚微米级、微米级的微位移驱动技术,从而实现微/纳米级的微操作。作为微操作的核心技术,微/纳米级微驱动技术在相关领域的需求下成为人们研究的热点^[1,2]。

    压电驱动的工作原理是基于压电体的逆压电效应:S=d₃₃E(其中S为应变;d₃₃为逆压电系数;E为电场强度),即当压电体受电场作用时会产生形变。压电驱动的特点是位移或运动程度可达微米、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。压电驱动作为一种理想的微位移驱动技术,具有很大的发展前途^[3]。

    行程和分辨率是微动技术中的一对矛盾,在保证高分辨率的条件下尽可能增大行程一直是微驱动技术的努力方向。其中压电型步进微驱动技术是这个领域的一项新型技术^[4～6]。

    2　压电型步进旋转驱动器的原理及结构

    2.1　压电型步进旋转精密驱动器的工作原理

    步进运动的实现须具备三个条件:钳位的动作过程;驱动过程;钳位和驱动的时序关系,即二者的协调配合过程。图1为步进旋转驱动的工作原理示意图。其中A、B为钳位装置,C为转子,D为驱动装置即压电叠堆,E为运动转换柔性盘铰链,它可把D的直线运动转化为盘铰链的旋转运动。初始状态时驱动装置D处于原始恢复状态,箝位装置A箝位,箝位装置B松位。若要实现顺时针方向转动,则其进行步骤为

    (1)箝位装置A箝位;

    (2)箝位装置B松位;

    (3)驱动装置D伸长带动旋转盘铰链E右端(见图1)旋转一角度θ;

    (4)箝位装置B由松位变为箝位;

    (5)箝位装置A由箝位变为松位;

    (6)驱动机构D恢复原长,旋转盘铰链E左端(见图1)在D恢复原长的同时靠自身的弹性旋转一角度θ。这样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,则精密驱动器继续沿顺时针方向旋转。同理可以实现机构的逆时针旋转。

    2.2　压电型步进旋转精密驱动器的结构分析

    2.2.1　压电型步进旋转精密驱动器的结构

    压电型步进旋转精密驱动器的结构如图2所示。其中,A₁、A₂为转子的两输出动力端,能在定子导轨F中旋转。B₁、B₂为钳位柔性铰链,通过杠杆H₁、H₂连接衔铁,电磁铁G₁、G₂对衔铁进行吸引产生钳位力。C₁、C₂为连接盘,分别与旋转柔性铰链E的两侧连接在一起。D为伸缩压电叠堆,产生动力源。