压电型步进式精密直线驱动器的试验研究

    随着现代工业自动化程度的不断提高,对于精密驱动器的需求也在逐渐提高。而传统的精密驱动器主要采用精密丝杆副及导轨、齿轮-杠杆式机构等作为动力与运动转换方式,由于摩擦、间隙、爬行、多环节传动等原因,其运动、定位很难达到高精度。为了满足生产和科研对高精度精密驱动器的需求,近年来国内外研究人员针对精密驱动器的新材料和新结构开展了大量研究,其中压电陶瓷是较为理想的一种新型材料^[1～5],其特点是变形精度高,反应速度快,不受磁干扰,没有空回、粘滑等现象。本文基于步进运动原理和误差补偿技术,利用压电陶瓷为驱动源提出了一种在计算机闭环控制下可达到高精度定位的大行程精密直线驱动器,并对其性能进行了试验研究。

    1　工作原理

    步进式精密直线驱动器(以下简称驱动器)运动原理是仿照自然界某些爬虫类动物爬行的方法而提出来的[2,6]。如图1所示,由三只压电陶瓷构成的驱动装置放置在平行槽形轨道内,其中压电陶瓷A和C用于箝位,压电陶瓷B用于步进位移。按时序控制电压信号,驱动装置可完成以下运动过程:

    (1)压电陶瓷A通电伸长顶紧轨道,形成箝位,压电陶瓷B和C处于自由状态;

    (2)压电陶瓷B通电伸长;

    (3)压电陶瓷C通电伸长顶紧轨道,形成箝位;

    (4)压电陶瓷A失电收缩,与轨道松开,随之压电陶瓷B失电收缩。

    至此,驱动装置向右蠕动一个步长,循环(1)～(4)过程,驱动装置可不断向右步进运动。如改变时序控制信号,则驱动装置可实现向左连续步进运动。

    2　驱动器结构与系统构成

    如图2所示,驱动器在两侧距离可精密调整的导轨内运动。弹性体与左右两压电陶瓷构成箝位端,左右两箝位端与中间驱动用压电陶瓷采用胶连接。为了加大弹性体与导轨之间的摩擦力,以提高箝位的可靠性,增强驱动器负载能力,在弹性体的爪足上附有摩擦材料。弹性体采用柔性铰链结构。

    压电陶瓷选用日本NEC公司生产的叠层型压电陶瓷AE0505D08,其截面尺寸为5 mm×5 mm,长度为10 mm,最大变形量为8μm,最大驱动力为850 N。

     本文以PC机为控制器,通过程序编辑时序控制信号,并通过RS-232接收从纳米测微仪反馈回来的位移信号(见图3)。开环控制下的步进式驱动器,由于存在步距误差,当运动步数较多时,累积误差就会很大。为此,本文根据误差补偿原理,在驱动器运动接近设定值时,采取负反馈控制法,以获得高精度定位。