压电双晶片型惯性冲击式直线精密驱动器研究

    　近年来,在光电产品装配、精密器件微制造和表面原子级测量等领域,以压电元件为核心的高精度定位驱动器得到广泛应用。其中,利用压电元件动态特性的惯性冲击式驱动器(IDM)在精密驱动领域已发展为一项独特的驱动型式,如超真空用精密位移装置,微型机器人手臂,扫描隧道显微镜和铅笔大小的放电装置。基于惯性冲击原理的产品化装置有微机械自动装配装置和医用细胞操作装置^[1–4],但目前的IDM普遍采用压电叠堆为驱动元件。由于压电叠堆变形量较小,抗拉力弱,受结构限制不能连接较大质量的惯性块,驱动能力受到限制,且压电叠堆成本较高。本文研制了以压电双晶片为驱动单元,利用其动态特性,以特定方式驱动的新型惯性冲击式直线精密驱动器。与传统的IDM相比,压电双晶片变形量较大且能双向变形,连接较大冲击质量简便可靠,成本低于压电叠堆,因此它具有成本低,结构简单,驱动能力强,行程大,高分辨率等优点,为克服惯性冲击式驱动器的原有缺点提供了新的方法。

    1　驱动器结构和工作原理

    压电双晶片型惯性冲击式直线精密驱动器的结构简图如图1所示。

    压电双晶片和冲击质量块构成驱动单元。压电双晶片的一端与轴固连,另一端自由,形成悬臂梁式结构,在其自由端固连一质量块。由于压电晶体的逆压电效应,在电信号作用下压电双晶片会产生弯曲变形。悬臂梁式结构压电双晶片的自由端变形量δ为^[5]

式中　d₃₁为压电常数;L为压电双晶片长度;h为压电晶片的厚度;V为电信号电压;Ω为与电信号频率、压电双晶片结构参数有关的系数。

    压电双晶片带动其自由端质量为m的冲击质量块可产生惯性力Ft,惯性力方向与轴的轴线方向平行,且

    如果对压电双晶片施加合适的驱动电信号,就可利用质量块产生的惯性力推动轴移动,输出位移。

    当压电双晶片带动端部的质量块往复运动时,也产生相对于固定端的离心力Fr为

    为此,采用两个参数相同的压电双晶片振子通过对称布置的方式构造驱动单元,可抵消离心力的影响,并增大轴向惯性力。

    轴、弹簧、柔性铰链和基座等构成了支撑单元。轴通过滑动轴承支撑在基座上。调整弹簧的压紧可调节轴与轴承之间的摩擦力值,并可根据驱动器行程需要设计轴的长度。

    2　驱动器运动过程及特点

    2.1　驱动器的运动过程分析

    压电双晶片型惯性冲击式直线精密驱动器通过电信号激励压电双晶片,带动质量块完成惯性冲击式运动,其驱动电信号电压波形如图2(a)所示的锯齿波(RAMP)。