提高蠕动式压电直线驱动器输出力的研究进展

提高蠕动式压电直线驱动器输出力的研究进展 cp.ck365.cn 来自:中国测控网 时间:2013-1-8 0引 言 随着科学技术的飞速发展，尤其是在精密光学、半导体制造、超精密微细加工与测量技术、微型机电系统、航空航天技术、现代医学及生物遗传工程等诸多尖端科技领域，由于其仪器设备向高精度化和高性能化的发展，对纳米级微驱动系统提出了愈来愈高的要求。当运动分辨率达到亚微米级或纳米级时，吲体致动器特别是压电致动器在微驱动定位技术中体现出优势，但是直接利用压电变形的驱动定位系统有其明显的缺点，即位移行程小，最多数十微米，而且非线性。 蠕动原理使压电直线驱动器可以实现大行程、高分辨率的双向运动。压电致动器本身具有足够高的刚度和输出推力，输出力可以达到3,30 kN，但是蠕动式压电直线驱动器(以下称尺蠖驱动器)的箝位机构(夹持器)利用静摩擦力传递负载的方式大大限制了系统的进给刚度和输出推力，输出力只是压电叠堆最大输出力的很小一部分，这在很大程度上制约了尺蠖驱动器的实际应用。如何对箝位机构进行改进，更好地提高输出负载，是目前尺蠖驱动器研究的热点和难点问题=本文将从尺蠖驱动器箝位机构的结构类型、运动方式以及和新材料新技术的交叉应用等方面，介绍几种典型尺蠖驱动器的研究进展。 1柔性放大机构箝位的尺蠖驱动器 采用柔性铰链放大机构，可以把压电致动器的变形放大几倍甚至十几倍，在这方面有许多研究机构做了大量的工作，常见于推动型和圆柱形状的尺蠖驱动器，图1 a的箝位机构由三个采用柔性铰链的柔性臂和两个支撑环和两个盖片组成，支撑环和盖片将三个柔性臂合成一体，成120?对称，将压电叠堆的轴向变形放大为横向变形，为了增大接触面积，柔性夹持臂上的凹槽与输出导轴严格配合，试验测得输出力为55 N。图lb是清华大学开发的一种采用柔性铰链构成的周向分布式杠杆箝位机构，该构型基本上把整个输出轴抱死，但这种结构过大，不利于驱动器的小型化和高频响，该构型输出力大于30 N。图1 c的箝位机构通过在 cp.ck365.cn 来自:中国测控网 时间:2013-1-8 管中的径向膨胀抱死实现高的夹持力，箝位用压电叠堆通电1kV时，产生60μm的变形，通过可以产生径向120μm的变形。这种构型比在外面夹持轴或杆的接触面积大。静态输出力和动态输出力分别为44.5 N和22.25 N。以DsM公司的FPA系列大输出力柔性八杆压电驱动器为例。尽管功能方向可以输出几百微米的位移，但是功能方向的刚度最大只能达到2.2 N/μm，封锁力最大为700N，而且体积比较大:冈此，尽管柔性放大机构能够放大压电致动器的变形，减小了加工公差的要求，但是输出刚度太小，大大减小了系统的输出刚度和输出力。 因此，对于摩擦力提供驱动力的尺蠖驱动器，要取得大的输出力最好采取压电叠堆直接驱动箝位的方式。 2直接驱动箝位的尺蠖驱动器 静摩擦力的大小依赖于法向作用力和摩擦系数，对接触表面施加预紧或者增加接触表面的粗糙度可以增加摩擦力但是却限制了两个接触面的自由移动，由于压电致动器的变形非常小，因此一般要保证两个接触面只有几个微米的间隙，这样大大增加了加工成本，『面且系统的性能受加工精度的影响较大。这些缺点可以通过研磨或增加可调机构来克服。图2a是 cp.ck365.cn 来自:中国测控网 时间:2013-1-8 典型的直接驱动箝位的尺蠖驱动器，该构型整体结构通过电火花一体化加工而成，工作输出负载为200 N，最大静态输出力可以达到l kN。 对于这种平面箝位方式，运动方向的刚度并不和箝位方向的一样高，同摩擦力一样，法向央持力越大，运动方向刚度越大。一个25 mm×25 mm的接触面积加上5 kN的法向夹持力可以产生3 kN/μm的法向刚度和1.5 kN/μm的切向刚度;当夹持力变为1kN时，法向刚度和切向刚度分别变为O.5 kN/μm和O 3 kN/μm。图2b是在图2a的基础上采用V形槽增加摩擦力，并且可以校正加工安装和摩擦的误差。该驱动器最大静态输出力可以达到8 kN。 图2c的箝位机构通过柔性双平行板移动副与输出轴的圆弧形配合增加接触面积来提高摩擦力，输出力为100 N。采用特大输出力压电叠堆的系统只适用于静态系统。在夹持力不变的情况下，输出负载越大要求的摩擦接触面积就越大，相应的体积也就越大。因此对于该类型的驱动器输出力是与体积质量成正比的，对功率密度负面影响比较大。另外这种结构接触面与导轨的磨损比较大，影响寿命。 直接驱动型町以比柔性放大型取得更大的输出力.尽管如此，压电尺蠖驱动器的动态输出力仍然限制在:200 N以内，传统的增加法向夹持力和增大接触面积的方法无法满足需要，因此，迫切需要研制提高摩擦力的方法或者更好的替代。 cp.ck365.cn 来自:中国测控网 时间:2013-1-8 3非压电陶瓷箝位的尺蠖驱动器 如图3所示，清华大学利用电流变材料进行箝位，该尺蠖驱动器能克服现有压电驱动器的磨损和冲击问题，无需高精密加工工艺，显示出一些独特的优点。尽管目前ER流体对电场的响应速度和屈服强度还不能满足高速大输出力的应用要求，但是近年来不断有大剪切力强度和快速响应的ER报道，该类型的尺蠖驱动器值得跟踪关注。 4采用ME:MS微齿箝位的尺蠖驱动器 美国加利福尼亚大学(ucLA)根据脊齿的概念，利用MEMs技术在摩擦表面产生微齿，利用微齿的互锁替代了传统的摩擦箝位，使得输出推力不是由摩擦力提供，而是由微齿的弯曲变形抗力来实现，使尺蠖驱动器获得几百牛的输出推力。微矩形齿是用单晶硅片进行湿法 cp.ck365.cn 来自:中国测控网 时间:2013-1-8 刻蚀而成。图4a是其第二代样机构型，该构型使用梯形微齿，相对于矩形微齿，容易啮合而且剪切强度高，尺寸为上边长2μm，下边长9μm，高5μm，齿间距11μm。试验表明，梯形微齿可承受36 MPa的剪应力。在速度11 mm/s时，系统推力和拉力分别为450 N(峰峰值为900 N)，静态负载为2 250 N，功率密度为99、v/kg。但是，微齿的啮合不当非常容易产生微齿的破坏，另外，基于微制造过程，几何参数和微观材料特性的疲劳强度的优化设计还需要进一步的深入研究。ucLA最新的设计，通过在另一个夹持表面使用超弹的形状记忆合金材料来避免破坏。值得一提的是，图4b是Bu rleigh公司的Hende—n利用MEMs技术制作的多轨箝位机构，多轨的结构使摩擦接触面积成倍增加，可以产生较大的摩擦力和输出力 5多技术综合的尺蠖驱动器 箝位机构由一对对称的柔性双层平行板移动副和一对对称的柔性单层平行板移动副及两个压电叠堆组成，一体化加工而成的结构来保证高的刚度和强度。双层平行板移动副与输出杆接触，接触面采用ucLA的专利可以大大提高系统输出力。单层平行板移动副与一个楔形块耦合对箝位用压电叠堆施加预载，并调节接触面的间隙。输出杆使用高刚度、高强度、小质量的碳化硅材料。使用ucLA专利的情况下，输出力为115 N，功率密度为5 4 w/kg，速度为25 mH/s，加速度为500 m/s;不使用ucLA专利的情况下，输出力仅为75 N. 箝位机构采用断电箝位工作方式，夹持力由压簧通过柔性双平行板移动副施加，当箝位用压电致动器加电时，抬起柔性平行板移动副释放输出杆，摩擦力与接触表面材料有关，为 cp.ck365.cn 来自:中国测控网 时间:2013-1-8 了增加摩擦力使用银衬垫，输出杆使用碳化硅0。该构型输出力150 N，功率密度56 w/kg，速度50 mm/s，加速度3700 m/s? 6采用离合器箝位的尺蠖驱动器 1967年，B—kend通过简单的棘轮机构实现运动叠加。棘齿的尺寸过大难以实现压电陶瓷驱动的微米级运动，滚柱离合器通过楔入辊子在内轴fj外圆柱壁之问形成的被动夹持可以实现微米级的运动定位，但是这种离合器多用于旋转运动。1966年，Hsu首次利用线性离合器概念设计了第一款尺蠖驱动器，其箝位机构是一种环形楔结构，通过压电片的偏转实现楔形辊子箝位，可以实现双向运动。美国声学与震动中心设计研制了许多类似线性二极管的机械结构，最成功的概念就是如图6所示的结构。该主动螺线管楔形辊子箝位机构可双向运动，但是功耗大，而且输出力小，该构型140μm的输入只能产生50 N输出力。图7a是一款直接利用楔块箝位的尺蠖驱动器(wedgeworrtvpe)，楔块的自锁使系统输出力非常大，但缺点是在驱动频率较高时，楔块不能前行，并且楔块恢复力较大，只能实现单向可靠运动。滚柱离合器的原理与线性离合器类似都是利用楔形箝位，但是滚珠离合器的多辊子并联的结构可以大大提高输出力。因此，线性离合器可以借鉴滚柱离合器的原理实现大的输出力. 如图7b所示，宾夕法尼亚州大学的Lovench在以往发展的基础上，提出螺旋的设计概念。。该结构由螺旋丝杠和两个旋转螺母(驱动螺母和保持螺母)组成，两个螺母沿丝杠的轴向运动被限制，只能进行转动，丝杠只能轴向运动不能绕轴旋转。螺母的旋转相当于楔形块的平动实现锁紧。旋转螺母具有断电自锁功能。系统具有高的输出刚