电磁箝位型压电精密步进旋转驱动器

　　0　引　言

　　压电驱动的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,所以压电驱动已成为一种理想的微位移驱动技术,具有很好的发展前景[1-4]。

　　对于研制大行程高分辨率的精密驱动器,如何在保证其高分辨率的同时尽可能增大行程,一直是许多研究人员致力解决的问题。压电型步进微驱动技术是这个领域的一项新型技术[5-8]。但现有的电磁、皮带、齿轮式的旋转机构分辨精度不高,精度高的微动台大多不能实现大角度连续旋转。作者提出的驱动器以压电陶瓷为驱动源,应用步进原理将压电叠堆的直线运动转换成旋转运动,可以实现高精度、大行程的步进旋转运动。

　　1　工作原理

　　压电型精密步进旋转驱动器实现步进运动必须具备3个条件:①箝位的动作过程;②驱动过程;③必须有箝位和驱动的时序关系,即二者的协调配合过程。图1为步进旋转驱动器结构简图,该结构是根据箝位2步进2箝位的运动原理实现的。其中A为轴;B为柔性铰链连接的两个半圆夹片;A、B组成箝位装置; 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,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,则按如下步骤进行: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右端旋转一个角度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左端在D恢复原长的同时靠自身的弹性旋转一个角度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　结构分析

　　压电精密步进旋转驱动器的结构布局如图2所示。A1A2为转子的两输出动力端,能在定子导轨F中旋转。B1B2为箝位柔性铰链,通过杠杆H1H2连接衔铁,电磁铁G1G2吸引衔铁产生箝位力。C1C2为连接盘,分别与旋转柔性铰链E的两侧连接。D为伸缩压电叠堆,产生动力源。该机构采用电磁力吸引衔铁,通过杠杆使箝位柔性铰链B箝紧中间的转子。箝位柔性铰链结构如图3所示。由于柔性铰链和杠杆作用,在Q点处产生的箝位力FQ和位移量ΔQ可由式(1)求得:

　　式中:FO为电磁铁吸力;ΔO为衔铁产生的位移量。由于柔性铰链的存在,实际的箝位力FQ和位移量ΔQ将略小于理论值。

　　图4表示出利用ANSYS有限元分析软件对箝位机构的箝位过程的静态仿真分析结果。在有限元建模时,对于铍青铜材料的属性设置为:弹性模量EX=108;泊松比PRXY=0. 35。对箝位装置采用固体结构单元SOLID Brick 8Node 45进行智能网格划分,对左侧进行约束,在连杆的P点施加力F。通过计算得出箝位结构的有限元分析变形仿真图(图4)。从仿真分析结果可以看出,在电磁铁的箝位下产生的箝位位移为51. 2μm。但在实际工作过程中,由于箝位体和转子运动体之间的间隙很小,所以不可能产生大的位移,而是转化为箝位力。在有限元分析结果中,柔性铰链的左侧没有变形和位移,变形只发生在柔性铰链部分。