提高蠕動式壓電直線驅動器輸出力的研究進展

    張兆成，胡泓

(哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱15000)

    摘要：蠕動式壓電直線驅動器具有大位移行程和高位移分辨率的特點，但是箝位機構利用靜摩擦力輸出負載的方式大大限制了系統的進給剛度和輸出推力：從箝位機構的結構類型、運動方式以及和新材料新技術的交叉廊用等方面，介紹了幾種典型尺蠖驅動器的研究進展，為提高系統的輸出力，指出了今后的研究方向。

    關鍵詞：尺蠖驅動器；箝位機構；壓電致動器

    中圖分類號：TM38；TM35    文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2009)12—0061—04

0  引言

    隨著科學技術的飛速發展，尤其是在精密光學工程、半導體制造、超精密微細加工與測量技術、微型機電系統、航空航天技術、現代醫學及生物遺傳丁程等諸多****科技領域，由于其儀器設備向高精度化和高性能化的發展，對納米級微驅動系統提出了愈來愈高的要求。當運動分辨率達到亞微米級或納米級時，固體致動器特別是壓電致動器[1]在微驅動定位技術中體現出優勢，但是直接利用壓電變形的驅動定位系統有其明顯的缺點，即位移行程小，最多數十微米，而且非線性。

   蠕動原理使壓電直線驅動器可以實現大行程、高分辨率的雙向運動。壓電致動器本身具有足夠高的剛度和輸出推力，輸出力町以達到3～30 kN，但是蠕動式壓電直線驅動器(以下稱尺蠖驅動器)的箝位機構(夾持器)利用靜摩擦力傳遞負載的方式大大限制了系統的進給剛度和輸出推力，輸出力只是壓電疊堆****輸出力的很小一部分，這在很大程度上制約了尺蠖驅動器的實際應用。如何對箝位機構進行改進，更好地提高輸出負載，是目前尺蠖驅動器研究的熱點和難點問題。本文將從尺蠖驅動器箝位機構的結構類型、運動方式以及和新材料新技術的交叉應用等方面，介紹幾種典型尺蠖驅動器的研究進展.

   

1  柔性放大機構箝位的心蠖驅動器

   采用柔性鉸鏈放大機構，可以把壓電致動器的 變形放大幾倍甚至十幾倍，在這方面有許多研究機 構做了大量的工作，常見于推動型和圓柱形狀的蠖驅動器，圖1 a的箝位機構由三個采用柔性鉸鏈的柔性臂和兩個支撐環和兩個蓋片組成^[2]，支撐環和蓋片將 三個柔性臂合成一體，成120。對稱，將壓電疊堆的軸向變形放大為橫向變形，為了增大接觸面聯 積，柔性夾持臂上的凹槽與輸出導軸嚴格配合，試測得輸出力為55 N。圖lb是清華大學開發的一種，動采用柔性鉸鏈構成的周向分布式杠桿箝位機構，該 構型基本上把整個輸出軸抱死”，但這種結構過 大，不利于驅動器的小型化和高頻響，該構型輸出力大于30 N。圖1 c的箝位機構通過在管中的徑向膨脹抱死實現高的夾持力^[4]，箝位用壓電疊堆通電1 kV時，產生60μm的變形，通過設訓可以產生徑向120μm的變形：這種構型比在外面夾持軸或桿的接觸面積大。靜態輸出力和動態輸出力分別為44．5 N和22 25 N。以DsM公司的FPA系列大輸出力柔性八桿壓電驅動器為例。，盡管功能方向以輸出幾百微米的位移，但是功能方向的剛度****只能達到2 2 N／μm，封鎖力****為700N，而且體積比較大。因此，盡管柔性放大機構能夠放大壓電致動器的變形，減小了加T公差的要求，但是輸出剛度太小，大大減小了系統的輸出剛度和輸出力^[6]。因此，對于摩擦力提供驅動力的尺蠖驅動器，要取得大的輸出力****采取壓電疊堆直接驅動箝位的方式。

 

     2  直接驅動箝位的尺蠖驅動器

    靜摩擦力的大小依依賴于法向作用力和摩擦系數，對接觸表面施加預緊或者增加接觸表面的粗耘度可以增加摩擦力但是卻限制了兩個接觸面的自由移動，由于壓電致動器的變形非常小，因此一般要侈證兩個接觸面只有幾個微米的間隙，這樣大大增自了加工成本，而且系統的性能受加工精度的影響毫大。這些缺點可以通過研磨或增加可調機構來。圖2a是典型的直接驅動箝位的尺蠖驅動器[7]，該構型整體結構通過電火花一體化加工而成，輸出負載為200N，****靜態輸出力可以達到l kN對于這種平面箝位方式，運動方向的剛度并不和翕

位方向的一樣高，同摩擦力一樣，法向夾持力越大運動方向剛度越大。一個25 mm×25 mm的接觸面積加E 5 kN的法向夾持力可以產生3 kN／μm的法向剛度和l 5 kN／μm的切向剛度；當夾持力變為kN時，法向剛度和切向剛度分別變為O．5 kN／μm和O．3 kN／μm。圖