姜凌云,丁鉤蘇,孫明宇

(1.南京師范大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,江蘇 南京 210023;2.蘇州大學(xué) 文正學(xué)院,江蘇 蘇州 215104)

0 引言

壓電馬達(dá)是利用壓電材料的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一種新型馬達(dá)。常用的壓電元件有壓電陶瓷片和壓電疊堆。壓電陶瓷片是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的新型復(fù)合材料。壓電疊堆是將多層壓電陶瓷片累疊、高溫?zé)Y(jié)聚合在一起的壓電致動(dòng)元件,在電信號(hào)激勵(lì)下可做伸縮運(yùn)動(dòng),由于其可以提供較大力或力矩,且效率較高[1-3],因此,壓電疊堆制造出的壓電馬達(dá)具有較高的工作效率,較大的推重比及可靠穩(wěn)定的工作性能,適用于各種精密儀器[4]、控制系統(tǒng)[5-6]、顯微系統(tǒng)[7]及振動(dòng)控制[8-9]等工作場(chǎng)所。

慣性沖擊壓電馬達(dá)是壓電馬達(dá)中的一大分支,其工作原理是借助不對(duì)稱信號(hào)或機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來(lái)的不對(duì)稱慣性沖擊實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動(dòng)。其驅(qū)動(dòng)原理簡(jiǎn)單性,故慣性沖擊壓電馬達(dá)在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)化壓縮,操作較簡(jiǎn)單,位移步進(jìn)較準(zhǔn)確可靠。目前慣性沖擊馬達(dá)正朝著微型化[10]的方向發(fā)展,而慣性沖擊馬達(dá)普遍存在體積較大,摩擦磨損大,效能轉(zhuǎn)換較低等問(wèn)題,需對(duì)馬達(dá)的結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化。

1 結(jié)構(gòu)和原理

1.1 馬達(dá)整體結(jié)構(gòu)

本次研究提出了一種新穎的微型化慣性沖擊壓電馬達(dá),其結(jié)構(gòu)緊湊,尺寸小,驅(qū)動(dòng)原理簡(jiǎn)單有效。圖1為馬達(dá)整體結(jié)構(gòu)的3D模型示意圖。

圖1 壓電馬達(dá)3D模型

馬達(dá)裝配方面,基板、壓電疊堆與鉛塊依次用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘接,基板同樣粘接于封套一端,形成一個(gè)聯(lián)合體,作為馬達(dá)的動(dòng)子。壓電疊堆作為激勵(lì)元件,驅(qū)動(dòng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)。預(yù)緊螺栓、預(yù)緊彈簧和夾持塊形成預(yù)緊結(jié)構(gòu),以調(diào)節(jié)夾持塊與封套之間的預(yù)緊力,同時(shí)它們也作為馬達(dá)的定子部分。

為了避免動(dòng)子產(chǎn)生不必要的徑向轉(zhuǎn)動(dòng),還需對(duì)軸套的徑向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度進(jìn)行限制。軸套兩端銑削出兩個(gè)軸向平面,夾持塊中心孔的相應(yīng)位置也有相同的端面。至此,馬達(dá)只能做軸向線性反復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于馬達(dá)動(dòng)子整體外形統(tǒng)一且規(guī)則,馬達(dá)可以完整利用其長(zhǎng)度作為工作行程。

表1為馬達(dá)樣機(jī)各加工零件的尺寸和材料明細(xì)。

表1 壓電馬達(dá)主要部件結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 馬達(dá)工作原理

圖2為馬達(dá)的工作原理圖。馬達(dá)主要通過(guò)利用鉛塊的較大慣性量使壓電疊堆振動(dòng)時(shí)封套在軸向做微小的步進(jìn)位移。

圖2 壓電馬達(dá)的工作過(guò)程

如圖2(a)所示,壓電馬達(dá)每個(gè)周期的工作步態(tài)可分為兩步:

1) 在初始狀態(tài)下,馬達(dá)給壓電疊堆施加鋸齒波信號(hào)。壓電疊堆在鋸齒波信號(hào)緩慢遞增信號(hào)幅值的激勵(lì)下,以較低速度伸長(zhǎng),推動(dòng)鉛塊向右運(yùn)動(dòng)。第①結(jié)束后,馬達(dá)由初始狀態(tài)變?yōu)榧?lì)狀態(tài)。

2) 由于鋸齒波信號(hào)每個(gè)周期的后階段幅值陡降,所以壓電疊堆的收縮回程速度相比于伸出速度提升較大。由于馬達(dá)動(dòng)子的質(zhì)量分布不均勻,鉛塊質(zhì)量遠(yuǎn)大于封套和基板,壓電疊堆收縮給鉛塊帶來(lái)的加速度和位移遠(yuǎn)小于帶給基板和封套的。在鉛塊巨大的慣性力和壓電疊堆的收縮力下,封套克服夾持塊與封套之間的摩擦力向右進(jìn)行一個(gè)微位移。第②結(jié)束后,馬達(dá)動(dòng)子已整體向右進(jìn)行了一個(gè)微小步進(jìn)Δx。馬達(dá)由激勵(lì)狀態(tài)變?yōu)榻K止?fàn)顟B(tài),也是下一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的初始狀態(tài)。

在鋸齒波信號(hào)的持續(xù)激勵(lì)下,馬達(dá)重復(fù)每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的步驟,宏觀上即實(shí)現(xiàn)向右連續(xù)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)子和鉛塊的位移圖如圖2(b)所示。同理,令驅(qū)動(dòng)信號(hào)反向,即可實(shí)現(xiàn)馬達(dá)向左連續(xù)運(yùn)動(dòng)。

壓電疊堆緩慢伸長(zhǎng)時(shí),動(dòng)子可能會(huì)有一定的慣性回退,但因慣性力的差異,回退控制在可接受的范圍。通過(guò)調(diào)節(jié)馬達(dá)的初始預(yù)緊力對(duì)回退產(chǎn)生一定的限制。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)所用器材有數(shù)字示波器(Rigol DS 5022M)、信號(hào)發(fā)生器(Rigol DG 1022)、功率放大器(Apex PA94)、激光位移傳感器(OPTO NCDT 2300)及裝有配套數(shù)據(jù)采集軟件的計(jì)算機(jī)一臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)布置如圖3所示。

圖3 壓電馬達(dá)實(shí)驗(yàn)裝置圖

使用臺(tái)式虎鉗將馬達(dá)樣機(jī)固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上。由信號(hào)發(fā)生器輸出調(diào)制的鋸齒波電信號(hào),經(jīng)過(guò)功率放大器放大后,給馬達(dá)樣機(jī)中的壓電疊堆施加激勵(lì),并由示波器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)。利用激光位移傳感器監(jiān)測(cè)馬達(dá)動(dòng)子位移狀況,監(jiān)測(cè)對(duì)象為馬達(dá)封套,相關(guān)數(shù)據(jù)將保存在計(jì)算機(jī)中。

2.2 無(wú)負(fù)載特性

首先測(cè)試馬達(dá)無(wú)負(fù)載運(yùn)行,功率放大器輸出的鋸齒波電信號(hào)的頻率為500 Hz,幅值峰-峰值為50 V,對(duì)馬達(dá)樣機(jī)的輸出速度與施加其上的初始預(yù)緊力之間的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定,速度-預(yù)緊力特性曲線如圖4所示。以螺栓擰緊圈數(shù)計(jì)算馬達(dá)預(yù)緊力,選定預(yù)緊力測(cè)試范圍為0～0.5 N。由圖4可知,馬達(dá)輸出速度隨著施加的初始預(yù)緊力的增大先加快后減慢,在預(yù)緊力設(shè)定為0.25 N時(shí)達(dá)到頂峰,最大空載速度為6.19 mm/s。之后的馬達(dá)輸出性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,均選用該最佳預(yù)緊力。

圖4 預(yù)緊力與馬達(dá)速度關(guān)系圖

設(shè)定馬達(dá)驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓峰-峰值為50 V,在最佳預(yù)緊力條件下,對(duì)馬達(dá)樣機(jī)運(yùn)動(dòng)速度與驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率之間的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,得到速度-頻率特性曲線,如圖5所示。實(shí)驗(yàn)選定測(cè)試工作頻率為100～500 Hz,為了減少試驗(yàn)次數(shù)并獲得較為精確的結(jié)果,選定頻率步進(jìn)為50 Hz。

圖5 工作頻率與馬達(dá)速度關(guān)系圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在馬達(dá)樣機(jī)預(yù)緊力和驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值一定時(shí),隨著驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的升高,在測(cè)試區(qū)間內(nèi)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度呈現(xiàn)為接近線性正相關(guān)。在驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為500 Hz時(shí),馬達(dá)達(dá)到最大輸出速度6.16 mm/s,與預(yù)緊力測(cè)試時(shí)的結(jié)果相符,存在合理實(shí)驗(yàn)誤差。

對(duì)馬達(dá)樣機(jī)的輸出速度與驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值間的關(guān)系進(jìn)行了測(cè)試,圖6為馬達(dá)的速度-電壓特性曲線。設(shè)定馬達(dá)在最佳預(yù)緊力,固定壓電疊堆施加的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為500 Hz。由圖6可看出,此時(shí)馬達(dá)樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度隨著驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓增大穩(wěn)定上升。這是由于隨著激勵(lì)信號(hào)電壓的升高,壓電疊堆受形變幅度變大,從而使鉛塊的前伸行程變大,收縮步距變大,可提升宏觀速度。

圖6 驅(qū)動(dòng)電壓與馬達(dá)速度關(guān)系圖

2.3 馬達(dá)負(fù)載特性

測(cè)試了馬達(dá)的負(fù)載特性,選定測(cè)試頻率為500 Hz,驅(qū)動(dòng)電壓峰-峰值為50 V,考慮到在非空載運(yùn)行下最佳預(yù)緊力可能會(huì)變化,分別對(duì)不同預(yù)緊力進(jìn)行負(fù)載特性測(cè)試,結(jié)果如圖7所示。分別對(duì)預(yù)緊力為0、0.25 N、0.5 N時(shí)進(jìn)行測(cè)試。

圖7 樣機(jī)在不同預(yù)緊力下的負(fù)載特性

由圖7可知,當(dāng)不施加預(yù)緊力時(shí),馬達(dá)樣機(jī)的負(fù)載能力較弱,負(fù)載增大時(shí)速度降速較快,最大負(fù)載最小;當(dāng)施加0.25 N的預(yù)緊力時(shí),馬達(dá)樣機(jī)的負(fù)載特性和最大負(fù)載力均增強(qiáng);當(dāng)施加0.5 N的預(yù)緊力時(shí),隨著負(fù)載逐步增大,馬達(dá)樣機(jī)的速度曲線下降較平緩,且最大負(fù)載力相較于更低的預(yù)緊力實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯提升。整體來(lái)看,在合適的預(yù)緊力區(qū)間內(nèi),施加較大的初始預(yù)緊力有益于該馬達(dá)樣機(jī)的負(fù)載性能。

2.4 馬達(dá)步距特性

對(duì)馬達(dá)樣機(jī)的輸出位移步距特性進(jìn)行了測(cè)試。對(duì)預(yù)緊機(jī)構(gòu)施加的初始預(yù)緊力為0.25 N,輸入電信號(hào)頻率為500 Hz,電壓峰-峰值為50 V,經(jīng)過(guò)測(cè)試,得到了位移響應(yīng)曲線如圖8所示。由圖可知,馬達(dá)在0.04 s內(nèi)前進(jìn)了20步,位移為0.247 mm,每步步距為12 μm。

圖8 位移響應(yīng)曲線圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并加工研究了一種封閉式柱形微型慣性沖擊壓電馬達(dá)。對(duì)馬達(dá)工作原理進(jìn)行了逐步論證分析,按照設(shè)計(jì)內(nèi)容加工樣機(jī),并為測(cè)試馬達(dá)樣機(jī)的自身特性和輸出性能搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得知,在預(yù)緊力為0.25 N,驅(qū)動(dòng)電壓峰-峰值為50 V,驅(qū)動(dòng)頻率為500 Hz時(shí),馬達(dá)達(dá)到最大空載輸出速度(為6.19 mm/s),位移分辨率為12 μm;驅(qū)動(dòng)電壓峰-峰值為50 V,驅(qū)動(dòng)頻率為500 Hz,初始預(yù)緊力為0.5 N時(shí),馬達(dá)樣機(jī)的負(fù)載特性最優(yōu),并達(dá)到最大負(fù)載20g。

本研究提出的封閉式柱形微型慣性沖擊壓電馬達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,尺寸微型化,形狀適合大部分線性馬達(dá)工作場(chǎng)景,驅(qū)動(dòng)電壓低,驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)的馬達(dá)運(yùn)行可靠性極高,輸出速度大,位移分辨率高,且可完整利用馬達(dá)全尺寸長(zhǎng)度作為工作行程,實(shí)用性極強(qiáng)。并在能保持一定輸出速度的前提下提供較大的負(fù)載能力。對(duì)馬達(dá)外部結(jié)構(gòu)做少許優(yōu)化即可投入實(shí)際使用,適用于各種小、微工作場(chǎng)景。