压电陶瓷驱动器弹性套筒的研究

　　0　引言

　　压电陶瓷驱动器(简称压电陶瓷)是新型的微位移器件,具有结构简单、体积小、分辨率高、控制简单、没有发热问题等优点,是理想的微位移器件[1-6],广泛应用于以实现精密位移和纳米分辨力定位为主要目的的场合。现在市面有售的压电陶瓷按其包装分为封装和未封装两大类,未封装的压电陶瓷价格相对便宜,可以承受很大的正压力,但不能承受剪切力,在使用时,极易折断,其引出线也易损坏;封装的压电陶瓷不易损坏,但体积大、价格过于昂贵。基于此,研究开发了一种加工简单、成本低廉的弹性套筒作为压电陶瓷保护装置,既可以保护压电陶瓷使其不会因受剪切力而损坏,又可以使其性能不受影响,同时,大大降低了科研成本。

　　1　弹性套筒结构介绍

　　弹性套筒与压电陶瓷的装配体如图1所示,图中,t为槽宽,b为两细槽间的距离,d为套筒的壁厚。因压电陶瓷抵抗弯矩和扭矩的能力很差,为了防止压电陶瓷在使用过程中受到弯矩和扭矩的作用,在压电陶瓷的顶部和驱动点之间加入钢球,这样就形成了赫兹接触形式。压电弹性套筒上部的横向细槽采用线切割加工而成,切割的角度、圈数和细槽的宽度可以根据设计要求加工,下部的竖向细槽引出压电陶瓷的两根电线。压电陶瓷的径向通过在对应的两个侧面加装相同厚度的垫片进行定位。将压电陶瓷装入套筒,通过螺杆5固定在光学平台上,并使套筒下端面紧抵光学平台,通上电压后,弹性套筒就可以与之一起伸长或缩短,同时可以消化吸收剪切力。若将装配体放入微动台中,只需将螺杆5换成相应的紧定螺丝即可。

　　2　弹性套筒的设计和分析

　　2.1　弹性套筒的设计

　　弹性套筒横向细槽切割的起始角度、圈数和细槽的宽度等不同,输出的位移大小也各不相同.改变槽的起始角度、切割角度、圈数和宽度等参数,用有限元软件ANSYS进行分析,在不超过材料许用应力的基础上,尽可能用较小的力输出较大的位移。弹性套筒材料选用65Mn,一端固定,一端加载荷10N,输出位移如图2~图4所示。图2为第一圈从0°开始切割,第二圈从180°开始切割,第三圈从0°开始切割,第四圈从180°开始切割,简称为A类弹性套筒;图3为第一圈从0°开始切割,第二圈从90°开始切割,第三圈从180°开始切割,第四圈从270°开始切割,简称为B类弹性套筒;图4为第一圈从0°开始切割,第二圈从60°开始切割,第三圈从120°开始切割,依此类推,直到回到0°,简称为C类弹性套筒。

　从图2~图4可以看出,B、C类弹性套筒的位移输出存在偏转,说明B、C类的弹性套筒的切割方式不合适,只有A类的切割方式可以使用。以下的弹性套筒均使用A类的切割方式,改变每　　圈的切割角度θ、槽宽t和圈数n等进行分析研究,结果如图5~图9所示,结果表明了弹性套筒的切割角度越大,圈数越多,壁厚越薄,输出的位移量越大;在其他条件相同时,增大槽距,位移量　　急剧减小,增大槽宽时,位移量急剧增大。改变弹性套筒的结构参数,可以优化其设计。