蠕动式精密直线驱动器

　　精密驱动器是工业领域的重要器件。在机械制造、生物工程、医疗、半导体生产、光学加工以及航空航天领域有着广泛的需求。传统的精密驱动器主要采用精密丝杆副及滚动(或滑动)导轨、精密螺旋楔块机构、涡轮-凹轮机构、齿轮-杠杆式机构等作为动力与运动转换方式。由于摩擦、间隙、爬行、多环节传动等原因,其运动精度、定位精度很难达到亚微米级[1~4]。

　　压电陶瓷是近年来精密驱动领域广泛运用的一种新型材料。其特点是可实现高分辨率的运动,而且响应快,没有空回、粘滑等现象。因此引起了广泛重视,并在精密驱动方面开发形成了一些新的机构,取得了一些研究成果和较成熟的应用技术。但在研究和应用过程中也存在一些问题,如小行程的精密驱动器在应用上存在较大的局限性,难以满足大部分精密驱动的需要。而大行程的精密驱动器普遍存在着大行程与高精度的矛盾[5]。为此本文基于蠕动原理和误差补偿方法提出了一种可实现大行程、高精度的精密直线驱动器。在计算机闭环控制下,该驱动器能以蠕动的方式快速运动,并通过误差补偿达到高精度定位,从而满足实际工作中大行程与高精度的要求。

　　1　工作原理

　　当压电陶瓷受力产生应变时,在其表面出现与外力成比例的电荷,这一现象称为压电效应;反之,当在压电陶瓷上加一电场时(见图1),压电陶瓷会产生应变和应力,这种由电场产生应变或应力的现象称为逆压电效应[6]。其应变s遵从基本的逆压电方程:

　　s = dE (1)

　　式中:E为电场强度;d为压电系数。

　　蠕动式精密直线驱动器(以下简称驱动器)的运动原理模仿了自然界某些爬虫类动物爬行的方法。如图2所示,由3只压电陶瓷构成的驱动装置放置在平行槽形轨道内,其中压电陶瓷A和C用于箝位,B用于提供位移。按时序控制电压,驱动装置可完成如下运动过程:(a)A通电伸长顶紧轨道,形成箝位,B和C处于收缩状态;(b)B通电伸长;(c)C通电伸长顶紧轨道,形成箝位;(d)A失电收缩,与轨道脱开;(e)B失电收缩。至此,驱动装置向右蠕动一个步长。循环进行(a)~(e)过程,驱动装置可不断向右运动(蠕动),如果改变时序控制信号,则驱动装置可向左运动。

　　2　驱动器简化动力模型

　　驱动器简化模型如图3所示。当A形成箝位时,左端可视为固定端,C未得电,则右端可视为自由端。其中压电陶瓷驱动力为:

　　式中:kp为压电陶瓷的等效刚度系数;x为压电陶瓷的变形量;uo(t)为压电陶瓷的电压;a为待定系数。可以把压电陶瓷等效成一个电容来分析。事实上多数场合都满足这一条件,压电陶瓷上的电压uo(t)与电源输出电压ui(t)满足下式: