新型压电单振子移动机构的试验研究

    随着科学技术的发展,在光学、电子、航空航天、机械、医学与生物等领域都需高精度、高分辨率、控制灵活的微定位装置,用以直接进行工作或配合其他仪器设备完成高精度微定位^[1]。其中利用压电元件作为惯性力的发生装置,形成微小型惯性驱动机构的研究备受青睐。现有的惯性驱动机构主要是通过电路系统产生锯齿波的非对称电信号,形成压电移动机构不同运动方向的惯性冲击力不同(移动机构的驱动力),实现移动机构沿规定方向运动,但锯齿波发生电路复杂^[2–5]。因此,本文提出通过对称波形电信号驱动,改变移动机构正压力从而控制机构其支撑面不同方向摩擦力这种实现惯性冲击运动的新方法,并制作了试验样机,进行了试验分析。

    1　移动机构结构设计及运动原理

    1.1　试验样机原理图

   图1为设计研制的压电单振子移动机构。机构驱动元件压电双晶片振子(压电振子),用压板固定在梯形块上,以保证振动时不同方向受力情况一致。由于压电晶体的纵向伸缩效应,压电双晶片振子产生弯曲变形,带动端部的惯性质量块产生与压电双晶片的轴方向一致的惯性冲击力。压电双晶片在对称波激励下,往复振动产生垂直于梯形块斜面的向上、向下的冲击力,从而带动梯形质量块沿晶片振动方向直线运动。

    如图2所示,在压电振子的惯性冲击力作用下,机构向远离传感器方向运动,距离激光测位仪越远,对应的电压值越大,即压电移动机构产生正向位移。

    1.2　移动机构运动原理

    由于压电振子固定在斜面上(见图1),与水平方向成α角,因此惯性冲击力F分解为水平分力F_x。Q_D、QU分别为机构在垂直于斜面向下、垂直于斜面向上的惯性力作用下产生的与接触面的摩擦力。

    图3为机构运动原理图。根据F_x、Q_D及Q_U值的不同,机构产生3种可能的运动情况:

    (1)当F_x<Q_D<Q_U时,机构驱动力无法克服接触面摩擦力,保持静止状态。

    (2)当Q_U<F_x<Q_D时,机构有向右运动的趋势。

    (3)当F_x>Q_D>Q_U时,机构将产生向左、向右的水平两个方向上的水平运动。

    那么当F_x>Q_D>Q_U时运动方向就取决于左右两个方向上哪一个方向的运动趋势明显。显然,F_x-Q_D<F_x-Q_U,因此在驱动力相同的情况下,机构产生向右的水平位移。