蠕动式压电电流变液进给机构的负位移现象

　　目前,大行程高精度的直线式进给工作台的钳位元件中广泛使用压电陶瓷,但是这样的钳位方式通常会产生对机构有害的振动、噪声以及磨损。与压电陶瓷相比,利用电流变效应来实现钳位具有无摩擦、无噪声、大行程等特点。

　　基于电流变液钳位的进给机构的优点和应用前景, 1993年清华大学董蜀湘等研制了压电效应与电流变效应结合起来的蠕动式直线进给机构。目前为止,已经有很多关于压电电流变的直线和旋转进给机构的研究报道[1-7],提出了很多性能优异的进给机构的设计方案,但是对压电陶瓷作为驱动器、利用电流变液实现钳位功能的蠕动式进给机构的运动特点进行深入分析,并通过建立动力学模型对机构进行研究的工作还很少。

　　本研究小组长期研制基于沸石/硅油的电流变液和相应的控制电路。在董蜀湘等人的研究基础上,本研究作者进行了压电电流变液进给机构改进设计和性能测试,深入分析了其运动特点和影响因素,发现了机构运动中的负位移现象并揭示了其内在机制,对研究如何提高此类系统的步进速度和精度具有重要意义。

　　1　电流变效应及蠕动进给机构设计

　　1·1　电流变效应

　　电流变液是由细小的极性固体颗粒悬浮在合适的液体中组成的浆液。当对电流变液施加一定的外电场时,电流变液能从液态可逆地转变为“弱固态”,同时伴随着剪切屈服应力的增强,这种效应叫作电流变效应。当外电场足够强时,电流变液内的固体颗粒由于极性作用能在几毫秒内变成链状或纤维状,剪切屈服应力随之增大,电流变液显示出类固体的性能。当去掉外电场,电流变液又能迅速恢复初始的液态,剪切屈服应力也降到液态时的水平。

　　1·2　蠕动式进给机构设计

　　蠕动式压电电流变液进给机构的组成结构如图1所示,柔性框安装在底板导轨滑块上,压电陶瓷驱动器C镶嵌在其中。柔性框左右两侧与绝缘板相连,绝缘板又与左右上极板相连。本研究将董蜀湘等人的平面型上下板改进成梳齿状,相互交叉在一起,梳齿之间填充电流变液,增大了剪切力的作用面积,增强了钳位效果,如图1中上下极板剖面图。

　　当对压电陶瓷C及左右极板副之间的电流变液按一定规律施加驱动电压和钳位电压,机构就能沿着导轨作直线运动。这种结构不仅保证了梳齿间隙和机构的导向性,而且上下极板之间不会产生摩擦(滑块与轨道之间摩擦力忽略不计)。

　　2　机构的运动原理

　　以向右前进为例,压电电流变液蠕动机构由图2所示的6步构成一个动作循环。

　　电流变液和压电陶瓷上电去电过程类似电容,需要有一定的充放电时间,电源的响应时间也要考虑在内。当机构蠕动进给时,测得电流变液不同钳位电压的充放电时间分别如图3 (a)和3 (b)所示,压电陶瓷不同驱动电压充放电时间如图3 (c)和3 (d)所示。为使电流变液和压电陶瓷有足够的充放电时间,控制程序中的延时时间分别为T1=50 ms,T2=325 ms,T3=5 ms。