程丁繼，時(shí)運(yùn)來(lái)，林瑜陽(yáng)，張 軍,付少蕾

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016)

0 引言

近年來(lái)，隨著壓電材料工藝和精密加工技術(shù)的發(fā)展，利用材料的物性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)微納米尺度驅(qū)動(dòng)技術(shù)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外關(guān)注。與傳統(tǒng)直線電機(jī)工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)相比，壓電直線作動(dòng)器以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，慣性小，響應(yīng)快，定位精度高，輸出位移大，輸出能量密度高，易小型化等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)控制、精密定位及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)等領(lǐng)域已有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[1-3]。尺蠖式直線作動(dòng)器類似于自然界的尺蠖運(yùn)動(dòng)[4]，其通過(guò)箝位自鎖的方式，將壓電疊堆小振幅、高頻率的能量輸入轉(zhuǎn)換為低頻率、大位移的能量輸出。在壓電尺蠖式直線作動(dòng)器方面，趙宏偉[5]和張兆成[6]取得了很好的研究成果，但基于主動(dòng)箝位方式，作動(dòng)器的推力只有幾十牛頓。朱鵬舉等[7]采用螺旋箝位[8]方式設(shè)計(jì)的作動(dòng)器最大推力可達(dá)130 N，行程為40 mm。基于螺旋箝位的方式，利用壓電疊堆在非共振狀態(tài)下輸出力大，變形大，重復(fù)精度高等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種推拉雙向大行程、大推力的壓電直線作動(dòng)器，并對(duì)其箝位條件進(jìn)行了分析研究，使作動(dòng)器既滿足大驅(qū)動(dòng)力的要求，又具有足夠大的位移量。

1 原理分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 螺旋箝位運(yùn)動(dòng)原理

壓電尺蠖作動(dòng)器主要由驅(qū)動(dòng)元件、箝位結(jié)構(gòu)和輸出元件組成。箝位結(jié)構(gòu)主要有主動(dòng)箝位、被動(dòng)箝位和螺旋箝位。螺旋箝位是前兩者的綜合，螺母絲杠的接觸相當(dāng)于兩楔形塊間的接觸，故螺母絲杠接觸需能自鎖。圖1為螺旋箝位結(jié)構(gòu)示意圖[9]，主要由絲杠和兩箝位螺母組成。其運(yùn)動(dòng)原理是：上、下兩螺母交替箝位，將位于中部壓電疊堆的微小位移累積傳遞到絲杠上，絲杠在沿軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生繞軸的旋轉(zhuǎn)，箝位螺母只需偏轉(zhuǎn)力矩，并不需要驅(qū)動(dòng)力。由上述原理可知，箝位端面的設(shè)計(jì)及箝位動(dòng)力源的選擇直接影響箝位力的輸出和大行程的實(shí)現(xiàn)。

圖1 螺旋箝位結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由圖1可看出，由于螺旋箝位結(jié)構(gòu)的限制，該尺蠖式直線作動(dòng)器的輸出位移受兩箝位螺母間距的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大行程。圖2為作動(dòng)器的總體結(jié)構(gòu)圖。采用2個(gè)環(huán)形壓電疊堆對(duì)稱布置，分別承擔(dān)壓力和拉力負(fù)載時(shí)的作動(dòng)，并將驅(qū)動(dòng)疊堆放在箝位外，兩箝位螺母則通過(guò)一個(gè)力矩電機(jī)連接。電機(jī)主軸設(shè)計(jì)中空，這使得絲杠可貫穿整個(gè)作動(dòng)器，即能實(shí)現(xiàn)大行程及大推力。

圖2 作動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)時(shí)序圖

通過(guò)匹配壓電疊堆驅(qū)動(dòng)信號(hào)與力矩旋轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器的雙向推出。圖3為作動(dòng)器在受到壓力和拉力負(fù)載時(shí)，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)信號(hào)與力矩電機(jī)不同轉(zhuǎn)向的時(shí)序圖。圖中，T為壓電疊堆的一個(gè)驅(qū)動(dòng)周期。分別對(duì)兩驅(qū)動(dòng)疊堆施加相同的偏置正弦信號(hào)，使作動(dòng)器產(chǎn)生推力或拉力，壓力負(fù)載下力矩電機(jī)正轉(zhuǎn)，拉力負(fù)載時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，相應(yīng)地兩箝位螺母的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也相反。通過(guò)給疊堆驅(qū)動(dòng)信號(hào)和力矩電機(jī)旋轉(zhuǎn)信號(hào)間的合理匹配，可使梯形絲杠持續(xù)穩(wěn)定地輸出直線位移。

2 螺旋箝位條件分析

2.1 壓電疊堆的選型及箝位端面的仿真分析

作動(dòng)器主要有壓電疊堆和力矩電機(jī)2個(gè)動(dòng)力源，二者的選擇直接影響作動(dòng)器的輸出性能。考慮到作動(dòng)器要輸出大推力及大位移，選用德國(guó)PI公司生產(chǎn)的低壓環(huán)形壓電疊堆促動(dòng)器(HPSt 150/14-10/25 VS22)，標(biāo)準(zhǔn)行程為23 μm，圖4為壓電疊堆實(shí)物圖。

圖4 壓電疊堆實(shí)物圖

為減小作動(dòng)器的整體尺寸和減少連接構(gòu)件的數(shù)量，將箝位端面與封裝壓電疊堆的殼體設(shè)計(jì)成一體。由于箝位力的大小及箝位效果直接影響作動(dòng)器能承受的最大負(fù)載，因此，為獲得更大的箝位力，對(duì)端面尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)ANSYS有限元仿真分析疊殼的形變。疊殼的材料采用熱處理后的7075AL，與普通鋁材相比，其具有比強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，圖5為施加端面200 N作用力時(shí)的形變位移圖。由圖可看出，疊殼的最大形變處發(fā)生在圓環(huán)內(nèi)圈，位移為1.81 μm，而壓電疊堆的標(biāo)稱行程l=23 μm。因此，所設(shè)計(jì)的箝位端面滿足作動(dòng)器大負(fù)載時(shí)的輸出。

圖5 疊殼端面形變位移圖

2.2 力矩電機(jī)的選型及其主軸的強(qiáng)度校核

由于螺旋箝位中螺母的動(dòng)力只需一個(gè)偏轉(zhuǎn)力矩，因此，選擇55LYX02稀土永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)，其峰值堵轉(zhuǎn)力矩為0.42 N·m，驅(qū)動(dòng)電壓為27 V，最大空載轉(zhuǎn)速為2 000 r/min。圖6為力矩電機(jī)實(shí)物圖。LYX系列直流力矩電機(jī)具有可堵轉(zhuǎn)運(yùn)行，低速轉(zhuǎn)矩大，反應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動(dòng)小，機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好等特點(diǎn)。

圖6 力矩電機(jī)實(shí)物圖

力矩電機(jī)通過(guò)一個(gè)空心主軸將力矩傳遞到箝位螺母上，主軸的材料選用磷青銅。由于軸是空心的，在傳遞力矩時(shí)需滿足強(qiáng)度要求，因此，通過(guò)ANSYS有限元對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析。圖7為在施加堵轉(zhuǎn)力矩0.42 N·m時(shí)電機(jī)主軸的應(yīng)力分布圖。由圖可看出，最大應(yīng)力(124 MPa)集中在端部，小于磷青銅的許用強(qiáng)度(320 MPa)。

圖7 力矩電機(jī)主軸應(yīng)力分布圖

2.3 壓電疊堆與力矩電機(jī)之間的匹配關(guān)系

壓電尺蠖式作動(dòng)器的輸出性能主要受箝位效果直接影響，而螺旋箝位的實(shí)現(xiàn)需要通過(guò)匹配力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速與壓電疊堆的驅(qū)動(dòng)頻率。根據(jù)圖3時(shí)序圖計(jì)算轉(zhuǎn)速n與周期T的關(guān)系。首先計(jì)算在T/2時(shí)間內(nèi)力矩電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ為

(1)

(2)

式中ω為電機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度。

由于疊堆一個(gè)驅(qū)動(dòng)周期內(nèi)的最大位移(即標(biāo)稱位移)為l，螺母與箝位端面距離為h，因此，電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度需使螺母產(chǎn)生軸向位移至少為l+h，螺母絲杠的導(dǎo)程為d，計(jì)算螺母轉(zhuǎn)角φ與位移的關(guān)系式為

(3)

又根據(jù)θ≥φ，可得轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系為

(4)

由式(4)可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速與疊堆驅(qū)動(dòng)頻率關(guān)系為正相關(guān)，且式(4)的右邊為轉(zhuǎn)速的最小值，即轉(zhuǎn)速過(guò)低無(wú)法箝位作動(dòng)。

3 實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

圖8為設(shè)計(jì)的壓電直線作動(dòng)器。樣機(jī)機(jī)身總長(zhǎng)為233 mm，最大外徑為?63 mm，質(zhì)量為1.15 kg，最大行程可達(dá)60 mm。實(shí)驗(yàn)搭建系統(tǒng)如圖9所示。采用泰克公司AFG3022C型信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，利用功率放大器將驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大。利用TDS1012B-SC的示波器來(lái)監(jiān)測(cè)平臺(tái)輸入信號(hào)變化。通過(guò)雷尼紹XL180激光干涉儀對(duì)絲杠輸出位移進(jìn)行測(cè)量。直流電源給力矩電機(jī)供電。實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速與壓電疊堆的不同驅(qū)動(dòng)頻率，測(cè)量相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖8 作動(dòng)器實(shí)物圖

圖9 測(cè)試系統(tǒng)

3.2 轉(zhuǎn)速與頻率的匹配測(cè)試

作動(dòng)器性能的好壞取決于箝位的可靠性，為測(cè)量壓電疊堆不同驅(qū)動(dòng)頻率下所需的力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速大小，在壓力負(fù)載為150 N，疊堆驅(qū)動(dòng)電壓為100 V下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得了電機(jī)轉(zhuǎn)速與疊堆頻率的散點(diǎn)圖，如圖10所示。由圖可看出，隨著疊堆驅(qū)動(dòng)頻率的增高，所需力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速也相應(yīng)增加，近似成線性。式(4)中，d=1 mm，通過(guò)線性擬合，得到曲線斜率為2.59，反求出l+h的值為21.58 μm。所用壓電疊堆空載時(shí)行程為23 μm，但疊堆自身受到壓力時(shí)會(huì)有一定的變形量，且又計(jì)算值為理論最低轉(zhuǎn)速，故實(shí)驗(yàn)結(jié)果可視為可靠。

圖10 電機(jī)轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)頻率關(guān)系曲線

3.3 輸出力測(cè)試

在測(cè)量作動(dòng)器輸出推力時(shí)，給壓電疊堆施加不同的驅(qū)動(dòng)電壓幅值，測(cè)得疊堆驅(qū)動(dòng)頻率100 Hz、電機(jī)轉(zhuǎn)速150 r/min時(shí)，作動(dòng)器正、反向輸出力與疊堆驅(qū)動(dòng)電壓的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖11所示。由圖可看出，正、反向輸出力相差不大，且隨著電壓的上升，輸出力也上升，在疊堆的最大承受電壓為150 V時(shí)，測(cè)得最大推力為190 N。

圖11 輸出力與驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系曲線圖

4 結(jié)束語(yǔ)

基于尺蠖運(yùn)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)了一種推拉雙向的壓電直線作動(dòng)器。采用螺旋箝位將壓電疊堆高頻率的微小振幅累積傳遞到輸出軸上，實(shí)現(xiàn)大行程及大推力。為研究螺旋箝位的可靠性，對(duì)箝位承載面進(jìn)行有限元仿真，分析其形變大小。對(duì)力矩電機(jī)主軸進(jìn)行強(qiáng)度校核。計(jì)算分析力矩電機(jī)轉(zhuǎn)速與壓電疊堆不同驅(qū)動(dòng)頻率之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)可靠箝位。最后搭建作動(dòng)器實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，作動(dòng)器的最大輸出推力為190 N，行程為60 mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速與疊堆驅(qū)動(dòng)頻率近似成線性，與計(jì)算結(jié)果相符合。該作動(dòng)器在需直線輸出且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小型化的機(jī)器上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如變形機(jī)翼折疊機(jī)構(gòu)、炮體導(dǎo)彈等。