压电式执行器用于超精密进给机构的技术研究

     随着科学技术的发展,在超精密加工、微电子工程、生物工程、纳米技术等领域迫切需要亚微米以至纳米级的超精密进给和定位技术。压电陶瓷微位移器因具有体积小、承载力大、精度高、位移分辨率高、可控性强且不产生噪声等特点,已成为目前很有前途的微位移执行器件。通过在材料(材料制备)、机械(放大机构)、电气(控制回路)三个方面的进一步研究开发,压电驱动器在超精密微位移的控制和各种动力源方面的应用得到了迅猛发展。

    压电式微进给机构广泛应用于超精密加工领域,一般被用来实现微进给或作补偿工具。在实际超精密加工应用中,亚微米及纳米尺度精度的获得往往取决于如机械结构设计的合理性,压电陶瓷的性能改善,微进给工作台的静、动特性研究,闭环控制与补偿精度等几个关键技术的解决。为此,给出了一种新型的压电陶瓷为驱动器的超精密进给机构。利用高精密电容传感器作为检测传感器,构成闭环反馈回路,引入比例2积分2微分(PID)模糊控制器以提高系统的稳态定位精度和动态响应速度。

    1　压电陶瓷微位移器的位移输出模型及其动态特性

　　压电陶瓷是具有压电效应的陶瓷材料,即在经极化处理的陶瓷体上沿其极化方向施加一个机械力(或释放压力)时,陶瓷体会产生充(放)电现象,这就是正压电效应;反之,若在陶瓷体上施加一个与极化方向相同(或相反)的电场,则会引起陶瓷片伸长(或缩短)的形变,被称为逆压电效应或电致伸缩效应。

    本文实验用WTDS21型压电执行器产生微位移的原理产生电致伸缩效应,即陶瓷片在直流电场作用下产生的应变与电场强度的平方成正比,其电致伸缩的方程为^[1]

式中　S为电场方向的应变;M为电致伸缩系数;E为作用电场强度。

    对于外加控制电压而言,构成压电陶瓷微位移执行器的每片陶瓷相当于一只平行板电容器,故压电陶瓷微位移执行器相当于一个容性元件。压电陶瓷微位移执行器在电场作用下产生位移输出,应该具有较高的响应速度,但由于在电学上压电陶瓷微位移执行器等效为一个电容,因此,器件输出速度不仅与自身等效电容值的大小有关,而且与所采用的驱动信号源的品质也有密切关系,其驱动器的驱动能力和响应特性直接影响器件的动态特性。

    分析表明,减小电容量可提高微位移执行器的响应速度,但输出位移与固有电容之间的矛盾使得无法通过减小其电容量来优化其动态特性。因此必须在其控制系统中施加动态校正。