压电精密直线步进电机研究与原理分析

　　曾群

　　摘要：提出一种新型的定子主动箝位方式压电精密直线步进电机，解决了压电驱动电机箝位不牢固、步进频率较低、行程小、速度低等问题。研制的精密电机能够实现高频率(100Hz)，高速度(30mm/min)，大行程(>20mm)，高精度，大驱动力(100N)等特点，大幅度提高了压电型步进电机的驱动性能。研制的该步进电机在精密运动、微操作、光学工程、精密定位等精密工程中具有一定的应用价值。

　　关键词： 压电陶瓷驱动器;定子箝位;步进电机;薄壁柔性铰链;大行程

　　1 引言

　　近年来，随着微/纳米技术的迅猛发展 , 在光学工程、微电子制造、航空航天技术、超精密机械制造、微机器人操作、地震测量、生物、医学及遗传工程等技术领域的研究都迫切需要亚微米级、微/纳米级的超精密驱动。传统的步进电机功率—重量比低，而且电机高速运转后需要减速装置变速，致使传动系统复杂、结构累赘。显然，现有技术已不能满足工业领域发展的需求。随着科技的发展，人们研制出利用功能材料构成的新型电机来实现超精密驱动，近年来此研究已取得了一系列成果，如记忆合金电机、压电效应电机、电致伸缩电机和磁致伸缩电机等。

　　2 基本原理及结构

　　2.1 定子箝位方式

　　本文研制的压电直线步进电机整体结构如图 1所示：主要由定子箝位体和直线动子组成，定子箝位体上安装有箝位动力压电叠堆，直线动子上安装有驱动动力压电叠堆，各压电叠堆协调工作，使直线动子在定子导向孔中运动。箝位机械结构原理如图 2 所示：定子体固定不动，压电叠堆在正向电压作用下伸长推动箝位块向下运动，压紧直线动子，从而实现箝位，该双侧薄壁铰链结构在钳位过程中几乎不产生阻力作用，由于双薄壁铰链的变形和横向约束作用，使箝位块只产生 y 向的运动，而不产生 x 向运动，从而在钳位过程中对动子不产生偏转动力，使箝位牢靠、稳定。

　　2.2 直线驱动动子结构

　　为实现直线动子具有大的输出载荷，并且具有较高的运动频率，取得刚度适中的中间柔性铰链很重要。直线动子加工出双薄壁柔性铰链，并沿中心线对称分布，中间安放用于驱动的压电叠堆，当压电叠堆伸长时由于柔性铰链的变形使直线动子沿轴线方向伸长而不会相对轴线偏转。

　　3 设计及制作

　　3.1 箝位参数设计

　　在步进驱动中，箝位性能的好坏直接影响步进运动的效果，箝位性能参数主要为动力学参数设计，包括箝位力参数F 和箝位响应频率参数P1。大的箝位力可以使箝位牢靠、稳定，不会因冲击而产生位移，从而提高步进重复性精度;高的箝位响应频率可以使箝位灵敏，实现高频步进运动，从而形成高速运动。假设箝位块质量为M，可认为是集中质量即质点。假设系统在自由振动时的挠度曲线和系统中间有集中静载荷Mg作用下的静挠度曲线一样，则在距离固支点 x 距离处的任一单元的位移表达式为

　　下面用瑞利能量法对图4进行分析：设ρ为薄壁铰链单位长度质量，整个薄壁铰链的动能为

　　因为是简谐振动，可设ym =Asin(ωnt + ϕ)则y m = Aωn cos(ωnt + ϕ)

　　式中k为薄壁铰链的弹性刚度系数，对于两端固定薄壁铰链带有中间质量M 时:

　　式中 EI 为薄壁铰链截面抗弯曲刚度系数。在保证箝位牢靠、刚性满足要求的前提下，最大限度的减小 M 的质量，将能显著提高系统的固有频率。

　　由于薄壁铰链截面的影响，使系统的抗弯刚度系数 EI 引起的抗弯力 Fe<

　　Ff = Ks ⋅ (F - Fe ) ≈Ks ⋅ F

　　式中 Ks为钳位块与动子间的静摩擦系数。在F的选取中，压电叠堆的预紧力Fp，压电叠堆与箝位块之间的连接牢固程度，箝位块与动子之间的间隙大小都对F起很大的影响。压电叠堆有很高的响应频率(几万Hz)，因此尽可能提高箝位机械结构的固有频率可使整个系统的工作频率P提高。另外，在工作中，箝位系统的响应频率P1和直线动子系统的响应频率是一致的，所以箝位系统的固有频率和直线动子系统的固有频率应尽量趋于一致。

　　3.2 直线动子参数设计

　　直线动子是整个系统的运动部件和动力输出装置，其参数设计中同样包括推力参数 F 、步进量参数∆L 和频率参数 P2。该系统的变形如图 5 所示，当左侧箝位后，可看作紧固连接，右侧为在力的作用下产生变形，两侧的薄壁铰链可看作两串连的弹簧模型。参数之间关系为

　　F –Fw =( K1+K1)∆L

　　式中 F 为压电叠堆产生的有效推力; Fw 为有效输出载荷; K1 为薄壁铰链动力学模型的当量弹性系数; ∆L 为直线动子的变形位移量。因为该驱动过程非常复杂，涉及到压电叠堆的响应时间，输出载荷的加速度变化，内部能量损耗等，所以这里采用了当量弹性系数 K1、有效推力 F、有效输出载荷 Fw等对系统进行描述。该驱动部分运动时，压电叠堆具有与箝位部分相同的运动频率，所以，为了提高整体系统的频率，应尽可能的提高直线动子机械系统本身的固有频率。但是直线动子部分与定子箝位部分不同，定子箝位系统的固有频率一旦设计完成，是一个固定不变的量，而直线动子系统的固有频率则随着输出载荷的变化而变化，是一个变化的量。由材料力学和振动力学知识可以推导出其变化函数关系:

　　式中 M 为薄壁铰链一侧直线动子质量; Mw 为外部载荷物体质量; F0 为薄壁铰链上的预紧力; e 为直线动子的振幅。设计直线动子时，在满足强度条件和步进位移量的前提下，应尽量提高薄壁铰链的等效弹性系数 K1，减小直线动子质量 M，使系统具有良好的动态性能。

　　3.3 机构制作

　　由于该步进电机要求具有非常高的 度，压电叠堆的位移量也在微米级，因此在该系统的制作中，应充分考虑以下几个方面的问题。

　　机械加工制作：机械加工的精度直接决定着该电机的步进精度，其中，直线动子和箝位定子之间的配合间隙精度显得尤为重要，在加工中，采用二者配合加工，并对其接触表面进行研磨，使其自由状态下间隙不大于 3µm;另外，薄壁铰链部分的加工采用线切割工艺，薄壁铰链在加工中要保持第 4 期 刘建芳等： 压电驱动精密直线步进电机研究 105对称，从而在变形中不致产生偏转。

　　压电叠堆的安装和连接：压电叠堆安装中要保证有一定的预紧力，这样可保证对 PZT 位移量的充分利用，其预紧程度可通过加预紧力时产生的电压来测量。当加预紧力时，通过高精度电压表测量其输出电压，当电压值在 2-3V 时，可视为预紧效果良好。该压电步进电机在工作时，压电叠堆的伸缩是脉冲性质的，因此压电叠堆( PZT)与机械结构的连接紧密程度对系统的工作性能起至关重要的作用。

　　工作过程预紧：在工作过程中，刚刚预紧的压电叠堆可能由于高频的振动和冲击造成松动，所以在工作过程中要经过多次预紧才能达到最终预紧的效果。

　　几种部件材料选取及材料性能：定子箝位体采用 65Mn 结构钢，该材料具有较高的弹性模量;直线动子同样采用 65Mn 材料。压电叠堆采用日本NEC 公司生产的型号为 AE0505D16 的压电陶瓷,该陶瓷性能稳定，工作可靠。

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