压电旋转驱动器制作及性能测试

压电驱动器具有单位体积输出能量多、行程大、位移分辨率高、频率响应快、不发热、无电磁干扰以及无噪声等优点，已广泛应用于精密定位、超精密加工、微机器人操作、光纤对接、精密光学调整以及生物医学等领域Ll ]。其中压电惯性驱动器利用压电元件的快速变形来产生惯性力，实现机构连续输出，具有结构紧凑，响应特性好，无电磁干扰，易于控制等特点，非常适合用高分辨率、大行程的工作诚。作为微喧械、精密机械的移动装置 ，压电惯性驱动器-直受 到国内外研究人员的广泛关注l4 j。

目前压电惯性驱动器的运动机理-般可分为两类，-是通过非对称的电信号激励，产生不同的惯性冲击力使驱动器定向运动，这种称为电控式；二是采用对称电信号激励，产生往复相同的惯性冲击力，通过控制机构和支撑面之间往复方向的摩擦力，使驱动器定向运动，这种称为摩擦力控制式 。国内外学者对电控式压电惯性驱动器进行了大量的理论和试验研究，而对摩擦控制式的研究较少7]。Wei Gao等开发研制了直线-旋转精密定位工作台 8]，直线与旋转运动最大行程分别为12 mm、360。，最大速度分 别为 16 mm/s、10.5 r/min。Martin gpiler等研制了-种基于电荷控制的压电惯性微驱动器 的驱动电源[9]，该驱动 电源能有效地补偿压电陶瓷的迟滞特性，提高压电驱动器运动的稳定性。Chia-Feng Yang等人提出了采用脉冲与弹簧-质量-阻尼两种模型来描述压电惯性驱动器的运动特性 ，并利用脉 冲模型对压电惯性驱动器进行运动控制。Takuma等人开发研制 了-种直线压电惯性驱动器L1 ，最大运动速度可以达到 0.28 m/s。刘向锋等设计和研制了-种新型压电旋转驱动器口 ，使用该方法可以制作出结构简单，体积小，适合在微驱动领域中应用的压电旋转驱动器。莫岳平等设计制作了-种新型压电惯性直线电机1引，适合用于物体精密定位、精细物料输送或振动切割工具等诚。但是上述压电惯性驱动器主要是通过改变非对称性激励信号(如锯齿波)的波形参数来控制驱动器输出性能 ，控制系统较为复杂。

本文在分析 了目前压电惯性驱动器研究现状的基础上，提出通过控制移动机构和支撑面之间摩擦力的方法，并制备了-种新型的压电惯性旋转驱动器，该驱动器结构简单，驱动机理新颖，驱动信号采用对称性波形，易于产生和控制。

2 旋转驱动 器结构设计设计的压电旋转驱动器的结构如 图 1所示。

旋转体上对称布置-对与水平面成-定角度的压电叠堆。在对称性 电信号 的激励下，压 电叠堆快速变形带动质量块产生惯性冲击力，在三角块作用下 ，惯性冲击力可 以分解为水平驱动力 和垂直拉 压力两部分。2个水平驱动力大小相等，方向相反形成转矩 ，垂直拉/压力通过改变转子和支撑座之间的正压力来 改变摩擦力 ，通过水平转矩 和垂直拉/压力的有序结合，形成驱动器单方向的连续旋转运动 。

压电叠堆 惯性块图 1 旋 转驱动器结构图Fig.1 Structure diagram of rotary actuator3 旋转驱动器样机及测试 系统本文制作了压电旋转驱动器样机，对不同驱动条件下压电旋转驱动器的性能进行了试验测试。

3.1 样机及结构尺寸压电旋转驱动器样机如图 2所示。压电叠堆型号为 AE0505D16，尺寸为 5 mm×5 mm×20mm，质量块尺寸为 12 mm×12 mtn×10 mm，重量为0.05 kg，支撑座材料为不锈钢，质量为0.07，支撑座上锥孔小端直径为 20 mm，锥角为60。，三角块角度为45。。

第1期 温建明，等：压电旋转驱动器制作及性能测试 133图2 旋转驱动器样机Fig.2 Prototype of rotary actuator3.2 实验测试 系统组成测试系统 由 WW-2074四通道任意波形发生器，LK-G 5000激光位移传感器 ，MSO-7034B信号示波器，HVP-300A功率放大器，和 DVID气浮隔振台等构成。

4 驱动性 能测试4.1 旋转驱动器步长与驱动电压的关系在空载状态下 ，试验测试 了旋转驱动器在不同频率、不同电压下的位移数据。通过下面的公式，可以计算出对应的旋转步长：S- l/r， (1)式中，S为驱动器旋转步长，单位为 trad； 为标尺端部的位移，单位为 m；r为测试标尺长度，单位为 1TI。

旋转机构的电压-旋转步长关系试验 曲线 如图3所示。由结果可知旋转步长随电压的增加而线性增加，而随频率变化基本保持不变，当驱动电压为 1O V、频率为 2 Hz时，驱动器旋转步长为 20#rad。

皇∽U，图3 旋转驱动器步长与驱动电压关系Fig.3 Relationship of rotary step and driven voltage4.2 旋转步长与斜面角度的关系固定驱动电压为 10 V、15 V，频率为 2 Hz，测试了不同支承斜面角度对旋转步长的影响曲线 ，如图 4所示∩以看出，斜面角度在 30。～45。

时，旋转运动的步长变化波动不大，旋转体运动的稳定性较好，而在这个范围之外，旋转运动步长波动较大 ，呈现 了明显的不稳定性 。

黾i 。1图 4 旋转步长与斜面角度关系Fig.4 Relationship of rotary step and incline angle4.3 旋转驱动器径 向跳动采用如下方法对转子径向跳动进行了测试：在转子端部选刃角为 9O。(记为 X，y方向)的 2个等高度测试点，利用 2个激光头测试转子运转1O步过程中该测试点的跳动情况，转子 X、y方向的跳动 曲线如 图 5所示 。

从图中可以看出，转子径向跳动最大值为0.151TI，这是由支撑座和转子之间的配合因加工误差产生间隙造成的。

dx/m图 5 旋转驱动器径向跳动Fig.5 Radial runout of rotary actuator24.4 旋转驱动器稳定性测试理论上旋转驱动器转子可在任意位置开始精密转动，并能实现连续 360。的转动输出。测试了空载状态下转子于不同静态位置启动，旋转步长随电压变化的曲线，如图 6所示。其中 1#、2#、3#、4#组转子的静态启动位置分别相差 90。；l34 光学 精密工程 第21卷5#的启动位置随意。

UN图6 不同位置启动驱动器旋转步长与电压关系Fig.6 Relationship of rotary step and voltagein different start points5组数据线性拟和方程及对应可靠度分别如下 ：1#： △ - 5.486 U-28.498R。- 0.996 12#： △ -5.5 U-31.812R -0.997 13# ： A0 6.06 U- 37.525R。- 0.991 74#： A05.97 U-32.374R - 0.996 75#： △ -6.187 U-29.434R。 0.997 2可见各拟和方程的可靠度 R 均接近于 1，证实各组曲线线性关系很好。据此，如果忽略压电元件和机械结构的非线性 因素 ，可 以认 为转子 的单步旋转角度是驱动电压的线性函数，应有 ：/x0- 0o， (2)式中，△ 为转子单步输 出转角，单位 ：/rad； 为拟和方程的斜率，单位：/trad/V；U为驱动电压，单位：V；00为拟和方程的截距，单位：/rad。

拟和方程斜率 的偏差率如下- 止 ×1O0 9/6， (3) -T 川u。 。

式中， 为各组拟和方程中斜率绝对值的最大值， 为最小值； 为平均值。

由上述数据可知，旋转驱动器在不同起始位置转动的稳定性有待进-步提高，实验显示通过增加控制系统能提高驱动器的输 出稳定性 。

4.5 旋转驱动器载荷特性测试在频率为 10 Hz、驱动电压信号为 1O～5o V的条件下 ，分别测试了驱动器在空载 、承载 200、500、1 000 g条件下的性能曲线，如 图 7所示∩以看出在负载的条件下，驱动器位移输出具有良好的线性，仍能保持平稳的运动精度。

图 7 驱动机构承载性能曲线Fig.7 Load capacity curve of actuator5 旋转驱动器精度影响因素分析5.1 加工精度误差压电惯性旋转驱动器通过变化的摩擦力与驱动力的有序配合实现定向运动。而实际加工中很难保证接触表面粗糙度 的-致性，因此摩擦不均匀是影响旋 转驱动器运动稳定性 的-个重要 因素 。

采用 TR240便携式表面轮廓精度测试仪对旋转驱动器支撑座接触面的表面粗糙度进行了测试 ，取样长度为 0.8 mm，得到 R -1.204/am。

5.2 安装误差压电旋转驱动器的压电叠堆要求采用对称布置 ，而实际安装 中不能保证压 电叠 堆完全对 称。

当 2个叠堆不对称时 ，产生 的惯性 力水平和垂直的分力不相同，这将导致转子在转动过程中受力不均匀，使得驱动器在运动过程中性能输出受到影响。

5.3 测量误差理想状况测量方向与驱动器的运动方向同线并且通过机构运动点，测量值等于机构位移真值：lz z. (4)当测量方向与驱动器运动方向有-个偏转角第1期 温建明，等：压电旋转驱动器制作及性能测试 135且测量轴通过运动点时，如图 8(a)所示，会产生余弦误差，此时：z - 二c。s 二sin 0 sin ≈二(1-譬 · )。

(5)当测量方 向与驱动器运动方 向有-个偏转角度且测量轴与运动点有大小为 a的偏移时，如图8(b)所示 ，会产生阿贝误差 ：z - .；CCOS 4-xsin 00 sin - asin ≈ z- aS0。

(6)比较 2种测量误 差可 以看 出，阿贝误 差是 主要测量误差之- 。

(a) fb)图 8 测量误差示意 图Fig.8 Sketch of measurement error