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        超聲自行走精密定位機(jī)構(gòu)

        2019-08-29 02:34:10
        壓電與聲光 2019年4期
        關(guān)鍵詞:壓電共振幅值

        李 聞 鈺

        (南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

        0 引言

        隨著當(dāng)前精密工程技術(shù)在若干領(lǐng)域的快速發(fā)展,對精密定位技術(shù)的需求日益增長,它要求系統(tǒng)具有微納米級的定位精度[1-3]。在超聲自行走精密定位機(jī)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域中,壓電陶瓷微位移驅(qū)動器是近年來發(fā)展起來的新型微位移器件,它具有體積小,響應(yīng)快,無噪聲的特點,在微納米級的精密定位系統(tǒng)中得到大量的應(yīng)用[4-7]。本文提出了一種以壓電陶瓷為驅(qū)動器的新型超聲自行走機(jī)構(gòu),揭示了機(jī)構(gòu)在自行走時的運動學(xué)特性,討論了基于壓電耦合的結(jié)構(gòu)模型,基于模態(tài)分析的模態(tài)共振。實驗證明該自行走機(jī)構(gòu)的輸出位移精度可達(dá)10 μm,若將該自行走機(jī)構(gòu)應(yīng)用于精密測量領(lǐng)域,結(jié)合控制反饋系統(tǒng),可使測量系統(tǒng)具有穩(wěn)定性強(qiáng),高效準(zhǔn)確,可靠性高,推廣性好等特點。

        1 結(jié)構(gòu)特征及工作原理

        1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        本文設(shè)計的結(jié)構(gòu)如圖1所示,該結(jié)構(gòu)分為兩部分:

        1) 主體部分為航空鋁一體結(jié)構(gòu),考慮到機(jī)構(gòu)的微型化與輕量化,采用鋁結(jié)構(gòu)可使機(jī)構(gòu)在行走過程中減少阻力,進(jìn)而提高可控性。

        圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)模型圖

        2) 另一部分是壓電陶瓷,主體結(jié)構(gòu)的上方打有2個貫穿至腹板處的正方形孔,用來在頂絲預(yù)緊腹板處放置2個壓電陶瓷。2個壓電陶瓷放于腹板外側(cè),在易拆卸的同時也使整個結(jié)構(gòu)處于對稱狀態(tài)。以此使設(shè)計的結(jié)構(gòu)緊湊,并為模態(tài)分析創(chuàng)造了便利條件,利于尋找為實現(xiàn)其運動所需的伸長、彎曲與扭轉(zhuǎn)模態(tài)。

        1.2 運動原理

        該結(jié)構(gòu)通過壓電激勵使該結(jié)構(gòu)伸長模態(tài)與彎曲模態(tài)超聲共振來實現(xiàn)沿一個方向的自行走。該結(jié)構(gòu)在具有伸長模態(tài)和彎曲模態(tài)的同時還具有扭轉(zhuǎn)模態(tài),通過不斷的尺寸調(diào)整進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使3種模態(tài)的頻率相近,再用3種模態(tài)的共振頻率去激勵結(jié)構(gòu),使其發(fā)生耦合共振振動。3種模態(tài)的疊加,可以通過用適當(dāng)?shù)募钚盘柤ぐl(fā)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn),使該結(jié)構(gòu)在沿一個方向運動同時進(jìn)行反向從而沿著相反方向運動。

        2 機(jī)電耦合仿真分析

        2.1 仿真條件

        為找到該結(jié)構(gòu)的模態(tài),需對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。為得到較精確的模態(tài)分析結(jié)果,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸為2 mm的網(wǎng)格劃分。當(dāng)利用ANSYS Workbench對含有壓電陶瓷的材料進(jìn)行模態(tài)分析時,壓電陶瓷PL055的密度為7 700 kg/m2,介電常數(shù)ε11=3 300 F/m, 彈性剛度常數(shù)矩陣及壓電常數(shù)矩陣分別為

        (1)

        (2)

        Al的密度為2 900 kg/m2,彈性模量為7.1×109Pa,泊松比為0.33。

        2.2 仿真結(jié)果與討論

        為保證實現(xiàn)超聲共振,結(jié)合實驗室現(xiàn)有條件,需調(diào)整3種模態(tài)頻率為20~40 kHz,并通過不斷的尺寸優(yōu)化使3種模態(tài)頻率相近,且共振效果最佳。仿真所得模態(tài)如圖2所示。3種模態(tài)頻率相近基本符合條件,下面將進(jìn)行實驗找出使3種模態(tài)的共振頻率,并驗證機(jī)構(gòu)自行走的可行性。

        圖2 模態(tài)分析結(jié)果圖

        3 實驗結(jié)果與討論

        3.1 實驗系統(tǒng)的搭建

        本次實驗是在光學(xué)防振平臺上完成的,使用型號NES-200-24的明緯開關(guān)電源對功率放大器(型號E-617 LVPZT)進(jìn)行供電,將控制信號輸入到壓電驅(qū)動上,在輸出端產(chǎn)生的運動通過電容式位移傳感器(帶有探頭5503的Microsense5810模塊,USA)來捕獲,測量的范圍和帶寬分別為500 μm和20 kHz,位移以電壓信號的形式傳送到具有D/A和A/D的數(shù)據(jù)采集板(NI PCI-6259,USA),經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡存儲到電腦上,在開環(huán)狀態(tài)下進(jìn)行測試實驗。在反饋控制方面,設(shè)計的控制算法通過桌面實時環(huán)境中Matlab/Simulink模塊實現(xiàn),具體流程圖如圖3所示。加工出的實物圖如圖4所示。

        圖3 參數(shù)辨識測試系統(tǒng)流程圖

        圖4 加工實物圖

        3.2 激勵頻率響應(yīng)特征

        由圖2可知,該結(jié)構(gòu)的3種模態(tài)及其對應(yīng)的頻率為找到共振頻率,考慮到理論模型與實際存在的誤差,現(xiàn)通過兩個壓電陶瓷分別輸入相同的頻率,在20~28 kHz,以500 Hz為單位分為17組進(jìn)行實驗,計算并比較得到的位移值。當(dāng)找到實現(xiàn)行走時位移最大的頻率,該頻率即為伸長模態(tài)與彎曲模態(tài)共振的最優(yōu)頻率。將數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)整理成機(jī)構(gòu)位移-運行時間曲線圖與位移-頻率圖,如圖5所示。

        圖5 激勵頻率響應(yīng)特征圖

        由圖5可知,最大位移16 μm出現(xiàn)在頻率為21.5 kHz處,計算出最大速度為8.8×10-2μm/s,該頻率即為最優(yōu)共振頻率。同時,由圖還可知位移存在反向,說明在基于伸長模態(tài)與彎曲模態(tài)共振實現(xiàn)自行走的基礎(chǔ)上,加上扭轉(zhuǎn)模態(tài)共振后使物體呈現(xiàn)反向運動。為進(jìn)一步實現(xiàn)反向運動控制,需要在21.5 kHz頻率條件下調(diào)整兩輸入頻率的相位,來找到實現(xiàn)反向的情況。

        3.3 反向運動控制

        在21.5 kHz輸入頻率條件下調(diào)整兩輸入頻率的相位差(Δφ),Δφ在0~π時分6組進(jìn)行測試,同樣,將數(shù)據(jù)采集卡采集到的位移曲線匯總至同一起點,整理成機(jī)構(gòu)位移-運行時間曲線圖如圖6所示。

        圖6 機(jī)構(gòu)位移-運行時間曲線圖(Δφ相關(guān))

        由圖6可知,當(dāng)Δφ為π/6、π/2、π時機(jī)構(gòu)在沿一個方向運動的同時也進(jìn)行反向運動。由此,便實現(xiàn)了機(jī)構(gòu)沿一個方向?qū)崿F(xiàn)自行走并進(jìn)行反向運動的可控性。

        3.4 激勵電壓響應(yīng)特征

        為進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)構(gòu)自行走的性能,在輸入頻率的幅值上進(jìn)行調(diào)整,考慮到壓電陶瓷的限定電壓范圍,其他條件不變,輸入頻率幅值在10~50 V時分5組進(jìn)行測試,得到位移-輸入電壓幅值曲線如圖7所示。

        圖7 位移-輸入電壓幅值曲線圖

        由圖7可知,當(dāng)輸入電壓幅值為20 V時,機(jī)構(gòu)位移達(dá)到最大,且在達(dá)到最大位移后,隨著輸入電壓幅值的增加,機(jī)構(gòu)的自行走位移有下降趨勢。由此可知,輸入電壓幅值是影響機(jī)構(gòu)自行走的一個重要因素,為使運動效果最佳,需要對輸入電壓幅值進(jìn)行必要的調(diào)整。

        4 結(jié)束語

        本文根據(jù)現(xiàn)代壓電驅(qū)動器高效,低能耗,響應(yīng)快的要求,提出了一種可自行走的微型機(jī)器設(shè)計方法,并介紹了微型機(jī)器的結(jié)構(gòu)和工作原理。然后研究了仿真中的模態(tài)分析及驗證實物性能的實驗測試。最后,給出了在機(jī)構(gòu)的3種模態(tài)共振下如何提高微型機(jī)器自行走性能的方法。實驗結(jié)果證明,微型機(jī)器的運動測量精度在微米級;在21.5 kHz激勵下,自行走運動最大速度為8.8×10-2μm/s;當(dāng)兩輸入頻率相位差為π/6、π/2、π時便可實現(xiàn)在沿一個方向運動的同時進(jìn)行反向運動,基本滿足了超聲自行走微型智能機(jī)器的要求。

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