大行程压电微动台的有限元分析与实验

　　随着现代科学技术的发展,精密定位技术已成为诸多前沿科学和工程领域的关键技术之一,同时对于精密驱动装置的要求也在逐渐提高,各种纳米级驱动装置不断涌现,其中压电/电致伸缩陶瓷微位移器具有体积小、输出力大、分辨率高、反应速度快以及不受电磁干扰等优点,已达到实用化阶段,是目前纳米驱动中较为理想的微位移器件[1—5].笔者提出一种新型的纳米级步距压电微动台,设计了试验样机,并对其结构进行了有限元分析和实验研究.

　　1　结构设计及运动原理

　　本文所设计的压电微动台在“尺蠖运动”原理[6—7]的基础上进行了技术改进,采用“推2拉”原理实现了纳米级连续匀速运动[8].压电微动台结构和运动原理如图1所示.

　　压电微动台主要由夹紧器、驱动器、微动平台、导轨和底座等部分组成,其结构如图1(a)所示.图中A1、A2和C1、C2均为压电陶瓷,其中A1、C1和A2、C2与导轨、底座、两端的连接块在保证直线性、运动灵活的基础上胶合,形成两端对称的夹持推动装置.在施加电压状态下为了加大夹紧器与运动平台之间的摩擦力,在夹紧压电陶瓷的面上附有摩擦材料.由于两端装置的结构及功能完全一致,并且对称地放置在导轨的两侧,这样就使压电微动台整体结构的安排更加合理,外形更加美观,同时又加大了压电微动台的驱动力,增强了运行的平稳性.微动平台全长120 mm,宽65 mm,高50 mm.整体装置的驱动过程如图1(b)所示.

　　(1)给C1、A1和A2施加高电压, C2不施加电压.那么A1、A2和C1伸展, C1夹紧平台,A1的伸展带动微动平台向右运动,此时A2没有对微动平台的运动起作用(只为下步运动的预备动作).

　　(2)对C2施加高电压,A1、A2和C1不施加电压.这样C2夹紧微动平台,A2的收缩继续带动连接块向右运动.此时A1的收缩不对微动平台的运动起作用(只为下步运动的预备动作).

　　(3)重复(1)、(2)步骤,使微动平台整个向右不断的连续运动.

　　(4)A1和A2施加电压顺序不变,改变C1和C2电压顺序,可实现微动平台向左运动;控制A1、A2和C1、C2加电的顺序,可实现微动平台的往复运动.

　　2　压电微动台受力分析

　　2.1　夹紧力分析

　　当夹紧器夹紧微动平台时,在平行于微动平台台面的截面内受力关系如图2(图中只画出半边)所示.

　　C1加电后,先膨胀填满间隙后与微动平台侧壁接触夹紧.其夹紧力设为Fc,摩擦系数为f1,那么C1与微动平台侧壁之间的静摩擦力F1=f1Fc.如果微动平台和导轨之间的静摩擦系数为f2,微动平台的自重与载荷分力对V型导轨支撑面的正压力为N,那么微动平台和V型导轨之间的静摩擦力F2=f2N.所以,要使微动平台移动,必须满足