新型的二维压电移动机构

　　0　引　言

　　压电材料属于陶瓷类材料,硬度高、脆性大,单纯压电材料元件变形量较小[1]。当将压电元件作为驱动部件应用时,需要采用适当的方式放大变形量。常用的具有较大变形量的压电元件有压电叠堆元件和压电双晶片元件两类。压电叠堆元件是利用多片压电晶片叠加,形成的变形量为多片叠加之和,产生的力较大。但加工制作比较复杂,价格也比较高;压电双晶片元件是将压电晶片的长度伸缩变形量转变为梁的弯曲变形量,因此只要结构设计合理,通过较小的长度变形,可以获得比较大的弯曲变形量。虽然这种方式输出的力不大,但是因为压电双晶片元件结构简单,制作容易,成本低,所以在工作载荷不大、以运动输出为主要目的的机构中得到了广泛应用。如薄片式微型压电泵、管道机器人和惯性冲击驱动器等机构的研究中都利用压电双晶片元件作为动力源部件[2~9]。

　　作者提出以压电双晶片元件为机构动力源的新型压电移动机构的研究方案。利用两端完全固支的压电双晶片元件在电场作用下中部会发生较大弯曲变形量的特点,结合粘-滑原理(stick-slip原理),设计了一种简单的二维步进式精密载物工作台。通过试验测试,证实该机构可以实现微米、亚微米级的精密运动。

　　1　步进式精密载物工作台的结构和驱动机理

　　根据工作要求,精密载物工作台应可以在平面上自由移动到规定范围的任意位置,显然一维驱动机构不能满足工作要求,需要二维以上的驱动装置。如果采用传统的机械机构实现二维运动,结构比较复杂,因此提出利用压电双晶片元件为驱动源的二维精密载物工作台的设计方案,其结构简图如图1所示。

　　图中件1为联接件(共4件),件2为铜片,件3为压电晶片,将件2和件3粘结构成压电双晶片振子(复合振子),共4枚,振子两端分别用螺钉固定于联接件1上,再将载物平台用螺钉与件1联接,形成一个整体。压电双晶片振子下侧的4个凸起与支撑面接触,形成驱动足。装配时需要尽量保证载物台的四驱动足同时接地。

　　为了比较不同结构驱动足的工作性能,设计了圆、尖两种凸起形式结构。铜片采用弹性优良的铍青铜材料,厚0.25 mm,试验前先经热处理以去除残余应力和恢复平直。

　　图2为激励压电元件用的锯齿电压波形。设缓慢上升、快速下降的波形为正锯齿波形(图2(a));缓慢下降、快速上升的波形为倒锯齿波形(图2(b))。结合图3阐述载物工作台的运动原理。欲使载物工作台向右移动,对X方向的2个复合振子施加正锯齿电压波形激励,在电压缓慢上升阶段,X方向2个复合振子同时发生向左侧方向的弯曲变形。由于振子的驱动足和接触面之间有静摩擦力作用,因此接触点维持不动。则载物工作台在两复合振子弯曲变形的作用下,以X方向2个复合振子的驱动足为固定点向右缓慢移动,如图3(b)所示。Y方向2个复合振子由于不施加电压激励,在载物工作台移动过程中仅起辅助支撑作用,从而推动载物工作台右移一段距离。此时保持驱动足不动的最大静摩擦力和载物工作台的推动力相等。激励电压达到要求的最大值后,电压由缓慢上升变为急速下降(如图2所示)。在急速下降的电压激励下,压电振子快速恢复变形,并有带动载物工作台相应返回运动的趋势。但因压电振子恢复变形速度快,且载物工作台自身惯性质量相对较大,因此形成载物工作台基本维持不动,X方向2个压电振子的驱动足则快速向右侧跟进滑移(如图3(c)所示)。此时X方向2个压电振子的驱动足与摩擦面之间的力为动摩擦阻力。在锯齿波电压变化的不断激励下,载物工作台将以间歇移动的形式向右侧方向运动,宏观上可以看到载物工作台向右侧缓慢移动。同理,欲使载物工作台向左微动,则对X方向的2个复合振子施加倒锯齿波型电压激励;欲使驱动器沿Y方向双向微动,则应对Y方向2个复合振子施加相应的锯齿波型电压激励。