發布者：佛山市順德區華源裝備科技有限公司 時間：2022/8/1 11:47:27
近年來，隨著微/納米技術的迅猛發展，對驅動精度的要求在納米級的水平。在光學工程、微電子制造、航空航天、超精密機械制造、微機器人操作、地震測量、生物、醫學及遺傳工程等技術領域的研究都迫切需要亞微米級、微/納米級的超精密驅動，因此，各種微特電機得到了快速的發展。其中由于壓電精密驅動電機具有高的驅動特性，在國內外得到了較為廣泛的研究。
壓電材料在驅動時具有納米級的穩定輸出位移精度，并且壓電驅動線性好、控制方便、分辨率高、頻率響應好、不發熱、無磁干擾、無噪聲等，同時，壓電驅動電機能實現體積小、重量輕、大功率密度的特點。因此采用壓電驅動能較好的實現超精密驅動的性能。
采用定子內側箝位結構實現步進旋轉運動是一種新的嘗試，采用4片無間隙薄壁柔性鉸鏈結構精確地將壓電陶瓷的直線運動轉化為旋轉運動，在箝位和驅動的作用下實現高精度步進旋轉運動，該運動是一種“箝位步進箝位”方式的仿生型運動，該結構對進一步了解和研究壓電精密旋轉驅動電機提供了一種新的方法和借鑒。
1總體結構及其工作原理內箝位壓電精密步進旋轉驅動電機的總體結構，主要有定子箝位體、轉子、驅動壓電陶瓷連接體、箝位壓電陶瓷和驅動壓電陶瓷組成。定子箝位體結構分上下兩部分，即上箝位塊和下箝位塊，上箝位塊和轉子上的上轉子體接觸，而下箝位塊和轉子上的下轉子體接觸。轉子體通過4片均勻分布的薄壁柔性鉸鏈把上、下轉子體連接為一體。
驅動壓電陶瓷8安裝在驅動壓電陶瓷連接體9上，連接體的一側和上轉子體接觸，另一側和下轉子體接觸，連接體上加工有可伸縮變形的柔性鉸鏈。該驅動電機的結構及運動原理如下：①初始狀態時2、8壓電陶瓷處于自由狀態，下箝位壓電陶瓷（圖中未顯示，與5連接）通電箝位，使5和11箝位到一起固定不動；②驅動壓電陶瓷8通電伸長，由于下轉子體不動，所以在連接體9的柔性鉸鏈變形下推動上轉子體10順時針旋轉一個角度θ；③上箝位壓電陶瓷2通電箝位，上箝位體3與上轉子體10箝位固定；④下箝位壓電陶瓷由箝位變為松開，11與5分開；⑤驅動壓電陶瓷8斷電松開，下轉子體11在鉸鏈回彈力的作用下沿順時針轉角度θ，然后下箝位壓電陶瓷重新開始箝位。這樣完成了一個步進旋轉動作循環，機構沿順時針方向轉動了一步。連續重復上述步驟，則精密驅動電機可實現順時針連續步進旋轉。同理可以實現機構的逆時針旋轉。
2運動過程及分析2.1箝位運動及其分析內箝位型壓電精密步進旋轉驅動電機的定子箝位體結構如所示。上下箝位塊均設計有雙側雙向薄壁柔性鉸鏈，既減小了箝位時上、下箝位塊上箝位塊柔性鉸鏈下箝位塊
對箝位效果的干擾（即上箝位時可能導致下箝位體與下轉子壓緊），又保證了箝位時柔性鉸鏈只沿壓電陶瓷伸長的方向變形，而不產生其它方向的變形而導致對轉子產生附加轉矩。另外，箝位時上、下箝位體要保證分別只與上、下轉子體接觸，而不和其它部分接觸。在實際工作中，由于定子箝位體和轉子之間是接觸的，沒有間隙，或者說間隙很小，因此柔性鉸鏈幾乎不產生很大的變形，而僅僅是箝位力的傳遞。
在步進驅動中，箝位過程是影響步進運動效果關鍵因素，箝位性能參數主要包括箝位力參數F，箝位響應頻率參數f 1和箝位穩定性參數S 1。大的箝位力可使箝位牢靠；高的箝位響應頻率可以箝位靈敏，可以實現高頻高速步進運動；箝位穩定性S 1是指箝位過程對步進運動的影響程度，即不會因箝位沖擊而產生附加轉矩，從而提高步進重復性精度，可以用箝位誤差來表示。
對該箝位系統的靜力學和動力學分析中可作如下假定：假設單側箝位塊質量為M，中間受一恒力F f（壓電陶瓷伸長產生）作用，由材料力學知識可以推出：在F f的作用下箝位塊產生的位移量s為f 1 /（48）s F l EI（1）該箝位系統的固有頻率為3 2 1 48（34 /35）n EI M l（2）式中：EI為薄壁鉸鏈截面抗彎曲剛度系數；M為箝位塊質量。
因此在保證箝位牢靠、剛性滿足要求的前提下，最大限度的減小M的質量，采用EI合適的材料和結構，將能顯著提高系統的固有頻率。由于薄壁鉸鏈截面的影響，使系統的抗彎剛度系數EI引起的抗彎力F e < 采用有限元分析軟件Ansys8.1對該箝位結構進行有限元分析的結果變形圖。分析中建立結構的有限元模型，采用三維四面體單元SOLID45對實體模型進行單元劃分，有限元網格模型共有：50 221個節點，36 118個單元，其中柔性鉸鏈與定子箝位體連接端簡化成固支，箝位體采用具有高彈性模量的彈簧鋼材料。分析得到系統的一階固有頻率f b A到了與理論分析近似的結果。
2.2旋轉運動及其分析轉子是由上轉子體、下轉子體及通過圓周均布的四片薄壁柔性鉸鏈連接為一起的整體結構，此鉸鏈結構能保證上、下轉子體繞轉子中心旋轉。驅動壓電陶瓷連接體一側與上轉子體接觸，另一側與下轉子體接觸，連接體上有變形鉸鏈結構，當壓電陶瓷通電伸長時，則左側對上轉子體施加推力，右側對下轉子體施加推力。4片薄壁柔性鉸鏈和連接體上的柔性鉸鏈在驅動壓電陶瓷回縮時起到彈性回復作用，除此之外連接體結構還能起到對驅動陶瓷（金屬陶瓷熱擠壓模的產品說明）的安裝預緊和保護作用。
轉子與定子配合的表面精度要求較高，因此在原始狀態下轉子能自由轉動的前提下力求其與定子箝位體之間的間隙最小。轉子是驅動電機的運動部件柔性鉸鏈上轉子體驅動連接體下轉子體和動力輸出裝置，其運動參數包括步距角參數？θ、有效推力參數F e和頻率參數ωn。
步距角和結構尺寸、鉸鏈剛度、壓電陶瓷的變形量有關。其步距角大小可按下式計算：2 B 180（ / 2）l t l（5）式中：？θ為距角，（°）；？l為壓電陶瓷伸長量，m；t為陶瓷長度，m；l B為陶瓷中心到鉸鏈中心距離，m.
上、下轉子體是否繞轉子中心軸進行微角度旋轉運動是該系統能否進行步進旋轉運動的關鍵因素和前提條件，通過對轉子進行靜力學有限元分析可以進行驗證。對轉子結構進行分析的模型結果圖。在分析過程中，以所示的下轉子體為固定側進行約束，對驅動壓電陶瓷的左側接觸面施加力F，從圖中可以清楚地看到驅動后的薄壁柔性鉸鏈的變形效果及上轉子體旋轉位移δ。另外通過對分布在轉子圓周上的多個點有限元分析得出：變形后各點仍以較高的精度分布在變形前所在的圓周上，這充分說明轉子體結構的變形是繞著轉子中心軸進行的。在有限元分析中，施加不同的力F，得到了不同的旋轉位移量δ。
各參數之間關系為e w s R（）F F F K（6）式中：F為壓電陶瓷產生的推力；F w為有效輸出載荷；K S為連接體薄壁鉸鏈的當量彈性系數；K R為轉子薄壁鉸鏈的當量彈性系數；δ為轉子的旋轉變形位移量。
步進旋轉驅動過程是一個較復雜的過程，涉及到壓電陶瓷的響應時間，輸出載荷的加速度變化，內部能量損耗等，所以這里采用了當量彈性系數K s、K R、有效推力F e、有效輸出載荷F w等對系統進行有效地描述。轉子運動時，驅動壓電陶瓷應具有與箝位部分相同的運動頻率，所以，為了提高整體系統的頻率，應盡可能的提高轉子系統本身的固有頻率。但轉子部分與定子箝位體部分是不同的，定子箝位系統的固有頻率一旦設計完成，是一個固定不變的量，而直線動子系統的固有頻率則隨著輸出載荷的變化而變化，是一個變化的量。由材料力學和振動力學知識可以得出：s R 0 w 2（）n K F M M M M e（7）式中：M為上轉子體和連接體的有效質量；M w為外部載荷物體質量；F 0為施加在壓電陶瓷上的預緊力；e為轉子運動的振幅。
在轉子設計中，在滿足強度條件和步進位移量的前提下，應盡量提高薄壁柔性鉸鏈的等效彈性系數K s和K R，減小轉子和連接體的質量M，使系統具有良好的動態性能。
3壓電步進旋轉電機控制系統壓電步進電機的整體控制系統。PC機作為整個系統的和核心來控制其運動狀態。PC發出的數字信號經3路D/A轉換成模擬信號并通過3路放大裝置進行放大。3路經放大的電源按給定的時序對2個箝位壓電疊堆和1個驅動壓電疊堆進行協調控制。在整個控制系統中，由于壓電疊堆為電容性器件，為使其達到能完全伸縮的性能特點，必須對壓電疊堆設計高頻完全放電回路，使壓電疊堆在斷電時其內部存儲的電量能夠徹底放掉。另外，系統中安裝了精密位移測量裝置，對系統結構產生的位移進行準確的測量，并送入PC進行詳細處理。
驅動所用的電源信號時序關系對整個系統的動作至關重要，它直接影響系統的運動效果。3路時序信號的相位關系如所示，1、3路為鉗位壓電疊堆通電信號，2路為驅動壓電疊堆通電信號。
時序信號為梯形信號，這樣可消除電源信號的上升沿和下降沿由于突變而產生的沖擊噪聲，并且對壓電驅動元件起到保護作用，提高壓電疊堆的使用壽放大D/A 1放電回路箝位壓電疊堆1放大D/A 1放電回路箝位壓電疊堆2放大D/A 1放電回路箝位壓電疊堆3數據處理精密測微儀PC控制t t t t上箝位驅動下箝位T命。在控制信號的設計方面，應充分考慮各部分的時序分配和分布，如所示：把一個周期T分為6等分，每等分t=T/6，電源信號的上升沿和下降沿分別占？t，？t≈t/4.箝位電壓信號的平均低電平（斷電）時間為2t=T/3，平均高電平（通電）時間為4t=2T/3，驅動電壓信號的高電平和低電平時間是相等的，分別占T/2，左右箝位電壓信號的時序相差3t.
4試驗與測量4.1實驗裝置為研制的壓電精密步進旋轉驅動電機內部結構的實物照片。在試驗測量中用到的儀器有：JPC型集成精密信號發生放大器，LC2400A型非接觸精密激光測微儀，HPC系列壓電陶瓷驅動電源，精密氣浮隔振臺等。測量中將激光測微儀的激光焦點照射到運動體的表面上并調到穩定狀態，通過屏幕上顯示的數據可得到旋轉位移的大小。
4.2步進分辨率測量分辨率是指步進運動時每一步所能達到的最小步長，分辨率是精密驅動電機的一個重要指標。對該驅動電機進行分辨率測量的曲線圖，可以看出，驅動電壓5V時得到其分辨率值大約為1μrad。而大于5V時分辨率值增大，低于5V時，無角位移輸出。因此在驅動電壓5V時得到的數值即為該驅動的最大分辨率，5V驅動電壓就稱為截止驅動電壓。
4.3箝位力及箝位穩定性測量為箝位力N f的測量曲線。通過測量得出系統的最大箝位扭矩N f達到2.3Nm.另外，最大箝位扭矩與箝位電壓成近似線性關系。在實際工作中，箝位電壓70V所達到的1.5Nm，箝位扭矩已基本滿足超精密定位領域的使用需求。
2.5 1.5 0.5 0 40 80 100 60 20箝位電壓/V最大箝位矩/（N）箝位誤差是箝位動作對轉子產生的影響，用箝位過程對轉子產生的微小位移來描述。1是驅動電機的箝位誤差測量結果。圖中每個電壓點的測定值都是從100個測量值中所取得的平均值。從圖中可以看出，箝位過程中最大箝位誤差值在個別測量點，達到最大的0.01μrad.另外，隨著箝位電壓值的增大，箝位誤差值有增大的趨勢，但從整體來看，該箝位過程對轉子的影響非常微弱。因此該箝位過程是穩定的。
4.4步進轉速測量內箝位/外驅動型壓電精密步進旋轉電機的速度由驅動電壓和步進頻率決定。其關系如2所示。圖中給出了幾種典型頻率的速度曲線，該速度是在空載狀態下測得的。從圖中可以看出，步進頻率40Hz時速度達到325μrad/s，根據需要可適當調節頻率和驅動電壓來滿足各種速度要求。另外，壓電陶瓷閉環曲線的上升過程，其斜率是增大的，而圖中速度-電壓曲線的斜率隨電壓的升高逐漸減小，這是因為當電壓升高時，壓電疊堆位移量和驅動力增大導致柔性鉸鏈的變形增大或出現微小塑性變形，從而產生附加載荷所致。
4.5連續步進轉矩測量連續輸出轉矩是衡量壓電精密步進旋轉驅動電機的一個重要指標。3為輸出角位移量大小和輸出扭矩以及驅動電壓之間的關系圖，從圖中可以看出，在同一電壓下，在一定的載荷范圍內，力對位移的影響不明顯，超過一定的外載荷，則位移有輕微的下降趨勢。實驗中，在100V電壓下，外載荷M<30N？cm的情況下，載荷變化對位移的影響不明顯，但超過一定載荷后，輸出位移急速下降，這是因為當達到一定的輸出載荷時，箝位力不足以承擔驅動壓電陶瓷對箝位端產生的反作用力，這時出現步進紊亂。由圖中曲線可以看出，100V電壓下，在M<30N？cm時，角位移輸出是比較穩定的。
壓電精密步進旋轉驅動電機的工作頻率主要取決于驅動電機結構的如下因素：①箝位體雙薄壁柔性鉸鏈的彎曲剛度；②箝位塊的質量；③轉子上4個扭轉彎曲組合薄壁柔性鉸鏈的剛度；④上下轉子體的質量；⑤驅動連接體柔性鉸鏈的剛度。其中，1和2決定定子箝位體的固有頻率；③、④和⑤決定轉子的固有頻率。通過實驗，得出系統的最大工作頻率為40Hz，即在40Hz時驅動電機系統獲得最大步進旋轉速率，當頻率大于40Hz時，旋轉速度扭矩迅速下降。
5結論（1）新型壓電精密步進旋轉驅動電機具有具有高頻率（40Hz）、高的分辨率（1μrad）、有效驅動轉矩（30N？cm）、較高驅動速度（325μrad/s）、任意角度旋轉的特性。
（2）薄壁柔性鉸鏈定子箝位體結構工作頻率高、箝位牢固、工作可靠，解決了高頻和箝位牢固之間的矛盾。
（3）利用定子內箝位/轉子外驅動方式和薄壁柔性鉸鏈結構實現步進旋轉驅動為壓電驅動電機的設計提供了一種可借鑒的方法。
