压电舵机微位移放大机构设计

　　0　引言

　　压电致动器是近年来发展起来的新型电动执行元件,它是利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能。以压电致动器为执行元件的各种执行机构已经广泛的应用在微位移平台、超精密机械加工、微夹持器、扫描隧道显微镜、运动导轨、天线和阀等多个技术领域中。

　　本文所研究的压电舵机采用压电致动器作为执行元件,由于行程很小为微米级,为了满足舵机的需求,需辅以合适的微位移放大机构对压电致动器的输出位移进行放大。

　　目前,主要有3种放大机构适用于压电陶瓷致动器,它们是柔性铰链微位移放大机构、液压放大机构[1-3]以及弯曲振动式致动器[1-3]。柔性铰链以其无空回和无机械摩擦、免润滑、运动平滑以及分辨率高等优点越来越广泛地应用在科研以及工业装置中。1965年,Paros等最先介绍了直圆型柔性铰链,通过计算单轴和双轴柔性铰链的柔度公式,推导了精确以及简化的设计公式[4]。Smith等介绍了椭圆型柔性铰链,并对多组几何参数的柔性铰链进行有限元分析,并将结果进行了比较[5]。Lobontiu等介绍了圆角直梁型柔性铰链、抛物线型柔性铰链和双曲线型柔性铰链的几何构造,推导了用柔度表征的柔性铰链转动以及伸缩的弹性运动方程[6-8]。Xu等进行了静态有限元分析,比较了直圆型柔性铰链、圆角直梁型柔性铰链和椭圆型柔性铰链的运动形式、应力以及刚度特性[9]。

　　本文针对一种新型压电舵机的微位移放大机构进行了设计,提出了一种基于柔性铰链刚度分析的设计方法。首先,推导压电舵机的数学模型,并通过仿真分析柔性铰链的刚度对压电舵机系统性能的影响,确定柔性铰链的选择原则。然后,提出一个通用性的参数刚度比λ用来讨论5种常见的单轴柔性铰链的刚度特性,确定微位移放大机构中各柔性铰链的类型。最后用有限元方法对微位移放大机构进行整体结构设计。

　　1　压电舵机的数学模型

　　1·1　压电舵机的组成及其工作原理

　　本文所研究的压电舵机由两个相互独立压电角位移执行机构组成。左右两组压电角位移执行机构结构对称,安装方式和驱动控制方式相同,但两个舵轴的偏心方向不同,使在相同的输入信号时,两个舵轴向同一方向摆动。每组压电角位移执行机构由高压驱动器、压电致动器、微位移放大机构和角位移转换机构组成,其结构如图1所示。

　　压电舵机的工作过程:通过旋紧调节螺钉,调节加在压电致动器左端的预压力,以消除压电致动器与压紧块之间的安装间隙,并产生预变形。控制信号经过驱动放大后供给压电致动器,压电致动器产生轴向的微小位移,经由压紧块将力和位移传递给杠杆的输入端,由柔性铰链和杠杆将位移进行放大,并将放大后的位移和力传递给角度转换机构,最后由角度转换机构将直线位移转化为角度的输出。