压电驱动微位移放大机构的分析与实验

　　压电陶瓷具有体积小、推力大、分辨率高和频响快的优点,并且不发热、无噪声、易于控制,是理想的精密微位移机构的驱动器件。单个压电陶瓷的最大变形量为1μm以下,为获得较大的位移输出,通常采用层叠式压电片,使位移叠加输出;但是,即便如此,叠加后的位移输出也只有几到几十个微米,不能满足一些需要较大范围内工作的微机电系统的要求。柔性铰链机构是压电驱动装置中常用的微位移放大机构,具有结构简单、运动灵敏且平稳、免润滑、无摩擦、分辨率高等优点。使用柔性铰链后,可将位移放大到几十到几百个微米,能满足多数微机电系统的行程要求。

　　柔性铰链位移放大机构的主要参数是铰链的转角刚度和位移放大比,有关转角刚度的计算已有较成熟的计算理论[1],而对于放大比的确定,往往是将柔性铰链视同为普通铰链,按照杠杆放大原理进行计算[2~5]。显然,这种方法的适用场合有一定的局限性,尤其是对于需要精确确定放大比的情况下。

　　在高精度航天微型扭杆刚度测试装置中,需要根据位移放大机构的放大倍数控制微小扭矩的加载,因而,其放大倍数不能应用杠杆原理粗略计算,本文对柔性铰链位移放大机构建立了精确的有限元模型,模拟压电元件的驱动方式,进行放大比的确定,并采用高精度的位移传感器,通过实验对仿真计算结果进行验证。

　　1　微位移放大机构的结构设计

　　圆弧型柔性铰链具有结构紧凑,运动精度高的特点,设计中采用单轴圆弧型柔性铰链,其结构如图1所示,在t<<R时,其转角刚度可按下面简化公式

计算[1]:

式中: K为转角刚度,定义为绕Z轴的弯矩与其作用下铰链绕Z轴转过的角度之比,在其它参数不变的情况下,转角刚度越大,则所输出的转角越小,获得的位移量也较小; E为材料弹性模量,其它参数见图1。

　　其中最小截面尺寸t是设计的关键,为实现机构的高灵敏度和高分辨率,以及位移的有效放大,应尽量减少t的值;但是t过小,则不能承受较大或频繁交变的载荷,导致机构失效甚至断裂。设计中应用有限元方法进行了校核和优化。

　　高精度航天微型扭杆刚度测试装置,要求的行程约100μm,而采用的压电元件在最大工作电压150V下,额定输出位移为16·5μm。因此,微位移放大机构采用二级放大,同时考虑加工工艺和安装的方便,设计出如图2所示的机构,其外形尺寸为65mm×54mm×8mm。其工作原理如图3所示,按杠杆放大原理计算所得的放大比为(1+b/a)(1+c/d),根据尺寸可计算出放大倍数为12·5倍。

　　2　位移放大机构的有限元分析