三自由度压电叠堆微位移放大机构的研究

　　压电陶瓷具有体积小、推力大、分辨率高和频响快的优点,并且不发热、无噪声、易于控制,是理想的精密微位移机构的驱动器件[1]。单个压电陶瓷的最大变形量为1μm以下[2],为获得较大的位移输出,通常采用层叠式压电片,使位移叠加输出;但是,由于制造工艺等因素的限制,叠加后的位移输出也只有几到几十微米,不能满足一些需要较大范围内工作的微机电系统的要求。

　　柔性铰链机构是压电驱动装置中常用的微位移放大机构,具有结构简单、运动灵敏且平稳、免润滑、无摩擦和分辨率高等优点[3]。使用柔性铰链后,可将位移放大几十到几百微米,能满足多数微机电系统的行程要求。

　　本文对柔性铰链位移放大机构建立了精确的有限元模型,模拟压电元件的驱动方式,进行放大比的确定,并采用高精度的位移传感器,通过试验对仿真计算结果进行验证。

　　1　压电叠堆性能分析

　　笔者选用层叠式压电陶瓷结构。将每一片压电陶瓷实现电路上并联,结构上串联的方式[4]。将压电陶瓷片具有相同极性的面粘结在一起,相邻的片具有相反的极化方向,每片的极化方向与电场方向一致。在电场作用下,把叠片式压电陶瓷的一端固定,就可在另一端推动负载产生较大的微量位移。经试验测得压电叠堆电压与实际伸长量的关系如表1所示,从表1中可以看出采用的压电叠堆具有很好的线性。

　　2　微位移放大机构的结构设计

　　圆弧型柔性铰链具有结构紧凑,运动精度高的特点[5],设计中采用单轴圆弧型柔性铰链,其结构如图1所示,在t<

　　式中:K为转角刚度,定义为绕Z轴的弯矩与其作用下铰链绕Z轴转过的角度之比,在其他参数不变的情况下,转角刚度越大,则所输出的转角越小,获得的位移量也较小;E为材料弹性模量; b为柔性铰链的宽度; t为柔性铰链最小厚度;R为柔性铰链圆弧半径。其中作为最小截面尺寸的柔性铰链最小厚度t是设计的关键[7],为实现机构的高灵敏度和高分辨率,以及位移的有效放大,应尽量减小t的值;但是t过小,则不能承受较大或频繁交变的载荷,导致机构失效甚至断裂。设计中应用有限元方法进行校核和优化。

　　为了提高微位移放大倍数,笔者采用两级放大机构[8],同时考虑防止三个互相垂直的自由度方向上位移输出间的影响,设计出如图2所示的机构,其外形尺寸为100mm×100mm×100mm。三个磁性部件通过两级放大机构将压电陶瓷堆的输出位移放大,分别带动小正方体沿互相垂直的三个自由度方向移动。其工作原理如图3所示,按杠杆放大原理计算所得的放大比为(1+e/a)(1+c/d),根据上述尺寸可计算出放大倍数为9。其中: a表示柔性铰链点到右侧固定支点的距离; e表示双柔性铰链点的距离; c表示柔性铰链到输出位移的距离;d表示柔性铰链到左侧固定点的距离。