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新型压电叠堆式步进直线精密驱动器设计

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  • 发布时间:2014-09-16
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随着微/纳米技术的迅猛发展 ,在光学工程、微电子制造、航空航天技术、超精密机械制造、微机器人操作、生物医学及遗传工程等技术领域的研究都迫切需 要 亚 微 米 级、微/纳 米 级 的超 精 密 驱 动 机构L]。传统的精密驱动机构主要采用机械式,如精密丝杆副及滚动/滑动导轨、精密螺旋楔块机构、涡轮-凹轮机构、齿轮-杠杆式机构等作为动力与运动转换方式,由于存在间隙、摩擦、爬行、多环节传动等问题 ,其运动精度 、定位精度及频响等方面已难 以满足要求 ]。因此 ,为克服传统驱动方式带来 的缺点 ,人们纷纷开展对新型驱动技术的研究。压电驱动技术利用压电材料的逆压 电效应 ,即压 电材料在电场作用下产生机械变形的特性实现驱动,其能产生亚纳米级的位移分辨率,定位精度高;输出力大,可实现低速大扭矩输出;具有微秒量级的高响应速度 ;能量消耗低,发热小,不需润滑无磨损;结构简单,易于微型化。新型压电驱动器的研究与开发已取得了许多重大的成果 ,部分 已开始作为产品走向市场 ,在微喧械加工、微型零件操作与装配、超精密对接、细胞显微操作等领域显示了压电驱动技术光明的应用前景口。]。本文根据压电陶瓷驱动的基本理论和步进式直线精密驱动器的工作原理 ,设计 了以压电叠堆作为驱动源 ,采用外箝位外驱动方式 的步进式直线精密驱动器结构 ,实现 了精度高,响应快 ,体积小和输出力大等特性。

1 压 电步进式驱动器工作原理压电步进式驱动器的工作原理是基于仿生学原收稿 日期 :2012-06-23基金项目:国家 自然科学基金资助项目(50605027)作者简介:苏江(1980-),男,河南安阳人,讲师,博士生,主要从事压电驱动技术的研究。刘鹏(1980-),男,吉林长春人,硕士生,主要从事压电驱动技术的研究。杨志刚(1956-),男,吉林长春人,教授,博士生导师。主要从事压电驱动技术的研究。

386 压 电 与 声 光良好的线性关系。随着驱动电压的增大,线性关系越好。驱动器的最大驱动电压为 9O V,此时步距为8.8 Fm。最小驱动电压为 4 V,即当驱动器 驱动电压小于 4 V时 ,驱动器不再正常工作。此时驱动器的步距为 0.05 m。

驱动器的运动速度主要由驱动时序信号的频率和驱动电压决定 。在驱动 电压-定的情况下 ,频率越高,速度越快。本文分别测试 了在不同驱动 电压时驱动器的运动速度与频 率间的变化曲线,如图 8所示。在频率低于 75 Hz时,驱动器运动速度 与频率保持良好的线性关系。当频率高于 75 Hz后,虽然运动速度也继续升高,但上升速度变缓,且线性度较差,因此,可得驱动器在较低工作频率下运动稳定性要优于在较高频率下的稳定性 。驱动器可稳定地工作在频率低于 75 Hz,取驱动器 最高运 动频率 为7O Hz蔷0 l0 20 30 40 50 60 70 80 90 100频率/tz图8 运动速度与频率的关系曲线驱动电压决定驱动器每个时序周期运行的步距,步距越大则速度越高。因此在频率-定时,驱动电压越大,运动速度越高。本文分别测试了在不同频率下 ,驱动器的运动速度随驱动电压 的变化曲线 ,如图 9所示。由图可看出,运动速度随驱动电压增大而线性增加,且线性度较好。由图8、9可知,工作频率 7O Hz,驱动电压 90 V时,驱动器稳定运动的最高运动速度为 610 Fm/s。

言 §趟lO 20 3O 40 50 60 70 80 90驱动电压r图 9 运动速度与驱动电压的关系曲线5 结束语本文设计了-种采用压电叠堆作为驱动源的外箝位式步进直线精密驱动器,采用对称布置的滚动滑轨副与步进驱动器结合的方式,将动子与导轨面间的滑动摩擦变为滚动摩擦。试验表明,驱动器的最小步距为 0.05/tm,最高运行速度为610 tzm/s,且运动性能稳定。该 驱动器在在精密机械加工、光学工程 、微操作等精密工程 中应用前景广 。

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