魏小華, 鄭凌晨,2
(1. 衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,浙江 衢州 324000;2. 浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院,浙江 杭州 310018)
在近代的精密科技中,壓電技術(shù)和電磁技術(shù)常被使用于納米級(jí)的高精度定位裝置中,以達(dá)到驅(qū)動(dòng)的目的。電磁式致動(dòng)器出力大、速度快,且可驅(qū)動(dòng)的位移量可達(dá)到毫米量級(jí),遠(yuǎn)大于壓電致動(dòng)器;但使用時(shí)由于溫度飄移的關(guān)系,使電流不易控制,而且位移分辨率比壓電致動(dòng)器低的多。壓電技術(shù)相較于電磁技術(shù),具有無(wú)電磁效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn),可以使用在對(duì)電磁波干擾敏感的醫(yī)療環(huán)境,且易于小型化,當(dāng)尺寸較小時(shí),其輸出力與效率相對(duì)較高。
以壓電技術(shù)構(gòu)成的精密定位裝置,一般是使用具有電容特性的壓電元件來(lái)做為能量轉(zhuǎn)換單元。當(dāng)此電容器被施以電壓,進(jìn)行充電和放電時(shí),會(huì)產(chǎn)生變形,且施加于壓電元件的電壓量與壓電元件所產(chǎn)生的變形量幾乎形成正比關(guān)系,利用壓電元件所產(chǎn)生的變形量約可達(dá)到其長(zhǎng)度的1‰。經(jīng)過(guò)巧妙設(shè)計(jì)后的壓電致動(dòng)器可達(dá)到數(shù)微米的行程長(zhǎng)度,這種同時(shí)具有高剛性與納米尺度特性的壓電致動(dòng)器[1],對(duì)于納米級(jí)需求的近代精密工程而言是非常必要的工具,在許多實(shí)際應(yīng)用中期望致動(dòng)器具備更長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)行程。
Bonard J M等[2]設(shè)計(jì)出一種新型致動(dòng)器,用來(lái)協(xié)助掃描式電子顯微鏡(SEM)的樣本定位,壓電元件負(fù)責(zé)致動(dòng)器的位移,其步進(jìn)分辨率可達(dá) 7.0 μm,速度最高為1.16 mm/s;但由于線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)干擾SEM的電子束產(chǎn)生偏移,從而影響分辨率。Wu Y等[3]研發(fā)出一種3個(gè)自由度的致動(dòng)器,該致動(dòng)器的步進(jìn)位移分辨率可達(dá)0.44 μm,角度分辨率約為1.3×10-6rad。Nakajima M等[4]利用撓性件設(shè)計(jì)出的致動(dòng)器,使用一個(gè)壓電元件可達(dá)到3個(gè)自由度的位移,該設(shè)計(jì)減輕了致動(dòng)器的重量,X方向的分辨率約為11.6 μm。Chen C等[5]使用6個(gè)壓電元件、3個(gè)線圈,設(shè)計(jì)出Stewart平臺(tái),它具有6個(gè)自由度的致動(dòng)器,在XYθ方向最高分辨率可達(dá)0.2 μm,0.2 μm,1.0×10-5rad;此設(shè)計(jì)缺點(diǎn)為結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用多個(gè)壓電元件,不利于控制。黃然[6]制作了預(yù)加載壓電懸臂梁致動(dòng)器的試驗(yàn)樣機(jī),并搭建測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)緊量的精確控制,以懸臂梁導(dǎo)引可動(dòng)件產(chǎn)生直線位移,此致動(dòng)器全行程為0.17 mm,分辨率達(dá)10 μm,出力最大可達(dá)20 mN。焦振瑞[7]針對(duì)精密機(jī)械以及精密加工等領(lǐng)域需要納米級(jí)的定位精度,開(kāi)發(fā)出由3組2自由度高精度測(cè)量模組組成的6自由度壓電微動(dòng)平臺(tái)。
通過(guò)結(jié)構(gòu)和磁回路設(shè)計(jì),利用摩擦力來(lái)控制致動(dòng)器的位移方向及位移量,稱為尺蠖式位移致動(dòng)器。以尺蠖式致動(dòng)原理設(shè)計(jì)的致動(dòng)器,結(jié)合多個(gè)致動(dòng)組件,使致動(dòng)器具有平移、旋轉(zhuǎn)多自由度且全行程理論上可達(dá)到無(wú)限長(zhǎng),但多個(gè)致動(dòng)組件也會(huì)造成不易控制以及體積的增加。在位移分辨率方面,基于電磁輔助壓電致動(dòng)器具有明顯的優(yōu)勢(shì),最高位移分辨率約為1.7 μm。由于尺蠖式致動(dòng)器的出力大小取決于線圈吸附于磁性材料上所產(chǎn)生的摩擦力大小;而本研究所設(shè)計(jì)的致動(dòng)器則是直接以線圈產(chǎn)生的電磁力來(lái)驅(qū)動(dòng)可動(dòng)件,故在相同的電磁力作用下可以產(chǎn)生較大的推力。此外,由于動(dòng)、靜摩擦力能夠迅速地轉(zhuǎn)換,使得該致動(dòng)器較線圈致動(dòng)器具有更大的夾持力并且能夠快速地靜止下來(lái)。因此,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種電磁輔助壓電致動(dòng)器,融合電磁式與壓電式這兩種致動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn),使得該致動(dòng)器具有出力大、速度快、分辨率高及毫米級(jí)的可驅(qū)動(dòng)位移量。該致動(dòng)器以電磁線圈產(chǎn)生的電磁力來(lái)驅(qū)動(dòng)可動(dòng)件,搭配壓電元件的使用,利用動(dòng)摩擦與靜摩擦力間的轉(zhuǎn)換以及改變線圈電流方向,完成長(zhǎng)行程、往復(fù)運(yùn)動(dòng)的要求,適用于高精度定位。
電磁輔助壓電致動(dòng)器結(jié)構(gòu)包含一個(gè)可動(dòng)件(鋼柱)、2個(gè)線圈、安裝在可動(dòng)件兩端的永磁鐵、壓電元件及用來(lái)調(diào)整預(yù)壓的撓性件,以及一個(gè)“V”形凹槽的基座,該基座作為鋼柱的引導(dǎo)槽,使可動(dòng)件做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。此外,為避免鋼柱在活動(dòng)時(shí)發(fā)生旋轉(zhuǎn)而影響到致動(dòng)器的精度,將鋼柱設(shè)計(jì)成類似半圓形的圓柱。致動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 致動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the actuator
壓電元件安裝在基座的側(cè)邊,將壓電元件通以弦波形式的電壓信號(hào),使壓電元件產(chǎn)生伸長(zhǎng)及縮短的往復(fù)運(yùn)動(dòng),并將能量傳遞給基座。隨著弦波頻率增大,當(dāng)頻率達(dá)到系統(tǒng)的共振頻率時(shí),鋼柱與基座間會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的趨勢(shì),此時(shí)鋼柱與基座間的接觸摩擦力即由最大靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦力。若將線圈通以電流而產(chǎn)生磁力,且線圈與永久磁鐵間的吸力及推力大于鋼柱與基座間的動(dòng)摩擦力時(shí),則鋼柱與基座也會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。
基于上述原理,首先通過(guò)調(diào)整線圈的電流大小,使線圈與永磁鐵間的推力及吸力大小介于鋼柱與基座接觸面上最大靜摩擦力與動(dòng)摩擦力之間,并利用開(kāi)關(guān)電路(如圖2)控制壓電元件的震動(dòng)來(lái)切換接觸面的狀態(tài),達(dá)到開(kāi)關(guān)的效果,此時(shí)得到的弦波信號(hào)為非連續(xù)的信號(hào)如圖3所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)為開(kāi)時(shí),電壓信號(hào)為弦波信號(hào),則鋼柱與基座間的摩擦力為動(dòng)摩擦力,此時(shí)可動(dòng)件產(chǎn)生與推力及吸力方向平行的位移;當(dāng)開(kāi)關(guān)為關(guān)時(shí),電壓信號(hào)為直流,則鋼柱與基座間的摩擦力為靜摩擦力,此時(shí)可動(dòng)件的摩擦阻力等于線圈所產(chǎn)生的推力及吸力,因而不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)。
圖2 開(kāi)關(guān)電路控制圖Fig.2 Control diagram of switching circuit
圖3 非連續(xù)電壓信號(hào)示意圖Fig.3 Non-continuous voltage signal schematic drawing
由LabVIEW發(fā)出信號(hào),經(jīng)由PCIe-6259數(shù)據(jù)采集卡輸入MCS-51單片機(jī),使MCS-51輸出相對(duì)應(yīng)的方波信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)電路,利用激光位移傳感器來(lái)測(cè)量致動(dòng)器的位移量,并將測(cè)量到的位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)回傳到計(jì)算機(jī)中,并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量流程如圖4所示。
圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量流程圖Fig.4 Flow chart of experimental measurement
2.2.1 數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集(DAQ)是使用計(jì)算機(jī)測(cè)量如電壓、電流、溫度、壓力或聲音等模擬信號(hào),再將此模擬信號(hào)執(zhí)行量化與編碼轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào),此動(dòng)作稱為A/D轉(zhuǎn)換,再由計(jì)算機(jī)讀入做進(jìn)一步的分析。一般為了使模擬信號(hào)能夠精確地還原,就必須盡可能地提高取樣率。實(shí)驗(yàn)所使用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備為NI公司生產(chǎn)的M系列多功能數(shù)據(jù)采集卡PCIe-6259,此卡包括NI-STC2系統(tǒng)控制器、NI-PGIA2放大器及NI-Mcal校準(zhǔn)技術(shù),在高速取樣率下仍能保持較好的穩(wěn)定性,擁有相當(dāng)優(yōu)異的數(shù)據(jù)采集能力。
2.2.2 激光位移傳感器
實(shí)驗(yàn)所使用的位移傳感器為非接觸式的激光位移傳感器即MTI激光位移傳感器(DTS-025-10),響應(yīng)頻率高達(dá)20 kHz,線性度約為±0.03%,分辨率高達(dá)0.038 μm,對(duì)被測(cè)表面沒(méi)有要求。此傳感器的特點(diǎn)為高傳輸速度、高精度并且不受測(cè)量物體表面不平整影響,采用三角測(cè)量技術(shù)來(lái)進(jìn)行位移、距離、振動(dòng)及厚度檢測(cè)。
通過(guò)如下實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試所設(shè)計(jì)的電磁輔助壓電致動(dòng)器的特性:調(diào)整輸入方波的頻率和脈沖寬度測(cè)試、速度測(cè)試、定位控制測(cè)試、共振頻率測(cè)試及拉力測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中所需調(diào)整的參數(shù)為方波的頻率以及方波低電位寬度,2種工作模式如表1所示。
表1 兩種工作模式Tab.1 Two working modes
首先利用LabVIEW結(jié)合MCS-51發(fā)出方波信號(hào)到開(kāi)關(guān)電路中,再由開(kāi)關(guān)電路送出的非連續(xù)電壓信號(hào)來(lái)控制致動(dòng)器的位移,接著利用激光位移傳感器測(cè)量致動(dòng)器的位移量,并將位移信號(hào)回傳到計(jì)算機(jī)中。測(cè)試流程如圖5所示。
圖5 測(cè)試流程圖Fig.5 Flow chart of test
由MCS-51輸入一方波信號(hào)控制開(kāi)關(guān)電路,使致動(dòng)器達(dá)到步進(jìn)的效果。實(shí)驗(yàn)中通入兩線圈內(nèi)的電流設(shè)置為0.5 A,調(diào)整方波脈沖寬度為500 μs、方波頻率為3.32 Hz(高分辨率步進(jìn)),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圓圈處的局部放大如圖6所示。當(dāng)方波為低電位時(shí),開(kāi)關(guān)電路輸出為弦波信號(hào),致動(dòng)器開(kāi)始產(chǎn)生位移;而方波為高電位時(shí),開(kāi)關(guān)電路輸出轉(zhuǎn)為直流信號(hào),由于慣性作用致使致動(dòng)器持續(xù)動(dòng)作一段距離后才靜止下來(lái)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知,此模式下致動(dòng)器步進(jìn)分辨率約為1.5 μm。
圖6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及局部放大圖(方波頻率3.32 Hz、脈沖寬度500 μs)Fig.6 Experimental data and local amplification (square wave frequency 3.22 Hz, pulse width 500 μs)
將線圈內(nèi)電流設(shè)置為0.5 A,MCS-51輸出方波頻率調(diào)整為3.22 Hz、方波脈沖寬度為10 000 μs(快速步進(jìn)),此模式下開(kāi)關(guān)電路輸出為弦波信號(hào)的時(shí)間加長(zhǎng),致動(dòng)器單步的位移量也會(huì)隨之增加,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圓圈處的局部放大如圖7所示。當(dāng)方波為低電位時(shí),開(kāi)關(guān)電路輸出為弦波信號(hào),致動(dòng)器開(kāi)始產(chǎn)生位移;而方波為高電位,開(kāi)關(guān)電路輸出轉(zhuǎn)為直流信號(hào)時(shí),由于慣性作用致動(dòng)器會(huì)持續(xù)動(dòng)作一段距離后才靜止下來(lái)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析可知,此模式下致動(dòng)器步進(jìn)分辨率約為30 μm。
圖7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及局部放大圖(方波頻率3.22 Hz、脈沖寬度10 000 μs)Fig.7 Experimental data and local amplification (square wave frequency 3.22 Hz, pulse width 10 000 μs)
當(dāng)提高方波頻率至10 Hz、方波脈沖寬度為 33 000 μs 時(shí),所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)局部放大后如圖8所示。對(duì)照方波信號(hào)圖,當(dāng)方波為低電位、開(kāi)關(guān)電路輸出為弦波信號(hào)時(shí),致動(dòng)器產(chǎn)生明顯的位移;方波轉(zhuǎn)為高電位、開(kāi)關(guān)電路輸出轉(zhuǎn)為直流信號(hào)時(shí),致動(dòng)器按預(yù)期目標(biāo)靜止下來(lái)。此現(xiàn)象不受控制,故在選擇方波頻率以及方波脈沖寬度時(shí),必需避免超過(guò)臨界值而產(chǎn)生不可控制的現(xiàn)象。
圖8 局部放大圖(方波頻率10Hz、脈沖寬度33 000 μs)Fig.8 Local amplification (square wave frequency 10 Hz, pulse width 33 000 μs)
實(shí)驗(yàn)設(shè)定致動(dòng)器初始位置于0 mm處,啟動(dòng)致動(dòng)器后,由MTI激光位移傳感器測(cè)量致動(dòng)器位移量并將數(shù)據(jù)傳回到計(jì)算機(jī)中,再將時(shí)間間隔50 s內(nèi)所測(cè)量到的位移量換算為致動(dòng)器位移速度。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)致動(dòng)器工作在快速步進(jìn)模式時(shí),致動(dòng)器擁有較高的位移速度118.55 μm/s;工作在高分辨率步進(jìn)模式時(shí),致動(dòng)器位移速度為5.58 μm/s。
為測(cè)試致動(dòng)器的定位性能,將致動(dòng)器初始位置從0 μm處移動(dòng)到3 000 μm處,致動(dòng)器在完成定位的過(guò)程被設(shè)計(jì)為3個(gè)階段,如表2所示。
表2 定位的過(guò)程設(shè)計(jì)Tab.2 Process design of positioning
階段a(快速?zèng)_刺)致動(dòng)器位于2 300 μm之前,此時(shí)控制MCS-51輸出為0,使開(kāi)關(guān)電路的輸出為連續(xù)弦波信號(hào),致動(dòng)器在這個(gè)過(guò)程以連續(xù)位移的方式運(yùn)行。當(dāng)致動(dòng)器到達(dá)2 300 μm位置時(shí)進(jìn)入階段b(快速步進(jìn)),MCS-51輸出為M2信號(hào),此過(guò)程致動(dòng)器由連續(xù)位移轉(zhuǎn)換為以大步長(zhǎng)步進(jìn)的方式前進(jìn)。致動(dòng)器到達(dá)2 850 μm位置時(shí),MCS-51輸出為M1信號(hào),致動(dòng)器在階段c(高分辨率步進(jìn))由大步長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為小步長(zhǎng)模式前進(jìn)到達(dá)預(yù)設(shè)的目標(biāo)。
此外,當(dāng)致動(dòng)器到達(dá)預(yù)設(shè)目標(biāo)時(shí),以兩種不同的方法來(lái)控制致動(dòng)器定位在3 000 μm處:方法1為固定MCS-51輸出M1的方波,控制線圈內(nèi)電流方向使致動(dòng)器在目標(biāo)點(diǎn)處徘徊,如圖9所示;方法2為固定MCS-51輸出-5 V的直流信號(hào),系統(tǒng)不產(chǎn)生共振,線圈內(nèi)電流值為0,此時(shí)致動(dòng)器在目標(biāo)點(diǎn)處?kù)o止,如圖10所示。
圖9 方法1定位實(shí)驗(yàn)Fig.9 Location experiment of the first method
圖10 方法2定位實(shí)驗(yàn)Fig.10 Location experiment of the second method
由圖9可發(fā)現(xiàn),以方法1定位上升時(shí)間約為5.7 s。圖11為方法1位移模式轉(zhuǎn)換的放大圖,當(dāng)MCS-51輸出由0轉(zhuǎn)換為M2時(shí),在慣性作用下,致動(dòng)器會(huì)滑行一段距離至2 600 μm才以大步長(zhǎng)的模式步進(jìn)前進(jìn),如圖11(a)所示;當(dāng)MCS-51輸出由M2轉(zhuǎn)換為M1時(shí),同樣在慣性作用下,致動(dòng)器在到達(dá) 2 990 μm 時(shí)會(huì)滑行一段距離到2 993 μm才以小步長(zhǎng)的模式前進(jìn)到預(yù)設(shè)的目標(biāo),如圖11(b)所示。圖12為方法1定位實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定后曲線,致動(dòng)器在 3 000 μm 處徘徊,此時(shí)分辨率約為0.84 μm。
圖11 方法1模式轉(zhuǎn)換Fig.11 Pattern transformation of the first method
圖12 方法1定位實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定后曲線Fig.12 Steady state curve of location experiment of the first method
由方法2定位實(shí)驗(yàn)(圖10)得知,方法2定位上升時(shí)間約為4.3 s。圖13為方法2位移模式轉(zhuǎn)換的放大圖,當(dāng)MCS-51輸出由0轉(zhuǎn)換為M2時(shí),由于慣性的作用,致動(dòng)器會(huì)滑行一段距離至2 810 μm才以大步長(zhǎng)的模式步進(jìn)前進(jìn),如圖13(a)所示;當(dāng)MCS-51輸出由M2轉(zhuǎn)換為M1時(shí),同樣由于慣性作用,致動(dòng)器在到達(dá)2 965 μm時(shí)會(huì)滑行一段距離到2 978 μm才以小步長(zhǎng)的模式前進(jìn)到設(shè)定的目標(biāo),如圖13(b)所示。
圖13 方法2模式轉(zhuǎn)換Fig.13 Pattern transformation of the second method
圖14為方法2定位實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定后曲線圖,致動(dòng)器到達(dá)(3 000±1)μm時(shí)靜止下來(lái),由于所使用的激光位移傳感器輸出的位移信號(hào)包含背景噪聲[8,9],故所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在達(dá)到穩(wěn)定時(shí)并非固定在 3 000 μm 處。經(jīng)數(shù)據(jù)分析可知背景噪聲值約為 0.2 μm,背景噪聲消除后,致動(dòng)器位移曲線如圖15所示。
圖14 方法2定位實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定后曲線Fig.14 Steady state curve of location experiment of the second method
圖15 除去背景噪聲后的致動(dòng)器位移曲線Fig.15 The actuator displacement curve after removing background noise of laser displacement sensor
壓電元件的信號(hào)頻率會(huì)影響到致動(dòng)器的位移速度,當(dāng)頻率接近系統(tǒng)固有頻率時(shí),整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生共振[10,11],致動(dòng)器的移動(dòng)速度會(huì)達(dá)到最大值,因此為使致動(dòng)器擁有較高的移動(dòng)速度,必須獲取該系統(tǒng)的共振頻率。實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)MCS-51輸出為M2的方波,再將輸入開(kāi)關(guān)電路的弦波信號(hào)由47 kHz逐漸增加至51 kHz,利用激光位移傳感器測(cè)量致動(dòng)器位移量,最終獲得移動(dòng)速度。共振曲線如圖16所示,該致動(dòng)器的共振頻率約為49 kHz,在此頻率下工作時(shí),接觸面上靜摩擦力與動(dòng)摩擦力[12]的轉(zhuǎn)換最為顯著。因此,在測(cè)量致動(dòng)器速度及出力大小等特性時(shí),信號(hào)頻率都應(yīng)固定在49 kHz處。
圖16 共振曲線Fig.16 Resonance curve
致動(dòng)器通過(guò)線拉動(dòng)一固定住的懸臂梁使其產(chǎn)生撓曲,再由激光位移傳感器測(cè)量懸臂梁的變形量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析可知,在高分辨率步進(jìn)模式下,致動(dòng)器的拉力值約為12.8 mN;而在快速步進(jìn)模式下,致動(dòng)器的拉力值約為16.5 mN。
基于動(dòng)、靜摩擦力間的轉(zhuǎn)換,本文開(kāi)發(fā)出一種單自由度的電磁輔助壓電致動(dòng)器,運(yùn)用高精度的測(cè)量、數(shù)據(jù)采集設(shè)備,通過(guò)實(shí)驗(yàn)成功測(cè)試了它的工作性能。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果,該致動(dòng)器具備10 mm的長(zhǎng)行程(MTI傳感器DTS-025-10最大量程)及微米級(jí)的步進(jìn)分辨率。在快速步進(jìn)模式下,致動(dòng)器步進(jìn)分辨率為30 μm,速度達(dá)118.55 μm/s;在高分辨率步進(jìn)模式下,致動(dòng)器步進(jìn)分辨率為1.5 μm,速度達(dá) 5.58 μm/s,兼具運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)度與穩(wěn)定性。