基于粘滑驱动的精密旋转压电执行器研究

李元宝，纪兴华

(莱芜职业技术学院，莱芜 271100)

0 引 言

随着科学和技术的迅速发展，具有大运动行程和高位移分辨率的跨尺度精密执行器是生物工程、空间技术、航天科技、集成电路、现代医疗和MEMS等领域必不可缺的关键技术。然而传统的机构如伺服电机、齿轮传动等已很难达到要求[1-3]。为此，研究者纷纷致力于开发新型的驱动技术。

压电陶瓷是一种新型的功能性陶瓷材料。正压电效应和逆压电效应是压电陶瓷的2种基本特性，利用正压电效应，压电陶瓷可以将机械能转变为电能；利用逆压电效应，压电陶瓷可以将电能转变为机械能。压电陶瓷的正压电效应常被应用于各种类型的压电传感器，正压电效应常被应用于各种类型的压电执行器[4-5]。由于具有体积小、质量轻、精度高、响应快、能耗低、控制特性好、能量密度大、抗干扰能力强等诸多优势，压电陶瓷在精密执行器领域获得了强烈的青睐[6-7]。然而，压电陶瓷有一个先天性的不足：输出位移小。为了解决这一问题，研究者提出多种类型的方法，其中步进式驱动原理是最为有效的解决方式。

将压电陶瓷的微小位移逐步积累，最终获得理想的输出行程，这是步进式驱动原理的基本思想。由于摆脱了压电陶瓷本身的微小位移限制，通过位移的数量叠加来达到需要，所以步进式执行器的输出行程可以达到毫米级别，甚至是无限行程。步进式驱动原理主要包括尺蠖式驱动原理、粘滑式驱动原理和超声式驱动原理等多种[8-12]。

本文研究一种基于粘滑驱动原理的旋转式精密压电执行器，利用定子的十字交叉型柔性铰链可以将压电陶瓷的微小位移有效转换为转子的微小角位移，利用锯齿波信号电压实现转子的粘滑驱动，最终可以获得执行器无限的角位移输出。

1 结构设计

压电执行器的整体模型如图1所示，该压电执行器主要由定子、转子和2个压电陶瓷构成，其整体尺寸为42 mm×30 mm×10 mm。如图2(a)所示，定子包括十字交叉型柔性铰链、转子安装孔和压电陶瓷安装槽等部分。其中，十字交叉型柔性铰链结构可以将2个压电陶瓷的微位移转化为转子的微角位移。2个预紧螺栓和垫片组合可以为2个压电陶瓷提供预紧力，并可以通过旋转2个预紧螺栓调节十字交叉型柔性铰链的初始刚度。

转子与定子的安装原理如图2(b)所示，转子分别通过垫片、弹簧、垫片和螺栓被装配与定子的中间安装孔内，弹簧可以为转子提供粘滞力，并且可以通过旋转螺栓调节粘滞力的大小。转子可以作为压电执行器的输出平台，所使用的2个压电陶瓷的尺寸为5 mm×5 mm×10 mm。

(a) 驱动单元结构

(b) 粘滑单元结构

2 工作原理

该压电执行器工作时所需的电压信号如图3所示。在锯齿波电压的驱动下，压电执行器的工作原理如图4所示。

图3 电压信号

图4 执行器工作原理

在t0时刻，压电执行器处于初始状态，2个压电陶瓷所施加的电压为0。如图4(a)所示。

在t0～t1时段，锯齿波电压缓慢上升，在逆压电效应的作用下，2个压电陶瓷缓慢伸长并推动十字交叉型柔性铰链旋转一定角度。在摩擦力的作用下，转子也旋转一定角度θ。如图4(b)所示。

在t1～t2时段，锯齿波电压迅速下降，2个压电陶瓷迅速收缩到原来长度，十字交叉型柔性铰链由于自身弹性恢复原形，迅速反方向旋转到原来位置。在惯性的作用下，转子保持原来位置。此时，执行器恢复到t0时刻的状态，不同之处是转子旋转一个步长。如图4(c)所示。

通过以上步骤，压电执行器旋转一个步长后又恢复初始状态。不断重复此过程，压电执行器将输出大行程的旋转运动。通过对该执行器的结构分析易知，其旋转运动行程可以达到无限。

3 运动分析

压电陶瓷可以被看作是一弹簧阻尼质量系统。因此，在运动分析中2压电陶瓷可以被简化为一直线运动副。建立的压电执行器的运动模型如图5所示，假设压电陶瓷在电压信号下的输出位移为Δl，转子旋转中心与压电陶瓷中心线的距离为r，则转子的单步旋转角位移可以通过以下公式获得：

2中心对称分布的压电陶瓷能够保证十字交叉型柔性铰链受力平衡，从而可以确保该压电执行器较高的运动精度。

图5 运动模型

4 性能试验

为了测试执行器样机的试验性能，建立的试验系统如图6所示。该系统主要由函数信号发生器、电源放大器、执行器样机、电容测微仪和计算机组成。锯齿波信号由函数信号发生器产生，经由电源放大器放大后被施加到执行器样机的2个压电陶瓷，转子的转动角位移由电容测微仪的传感器捕获后传达到计算机进行处理。

图6 试验系统

4.1 角位移输出

该压电执行器在5种驱动电压下的十步角位移输出曲线如图6所示，该项测试中电压信号的频率为1 Hz。从图7中可以看出，不同电压下的压电执行器都有稳定的角位移输出，并且输出曲线具有较高的重复性。随着驱动电压的下降，输出曲线的斜率逐渐减小，也就是执行器的旋转速度逐渐降低。当驱动频率为1 Hz时，执行器最大运动速度为647.7 μrad/s

图7 不同电压下的角位移输出

4.2 步进分辨率

由图7可知，随着驱动电压的下降，压电执行器的步长(单步角位移)逐渐减小。可以推断，当驱动电压下降到某值时，十字交叉型柔性铰链的扭转角度很小，以至于其复位速度太小而无法与转子之间产生滑动，这样，压电执行器将无法正常工作，这个临界电压值即为执行器的最小驱动电压，在最小驱动电压下的最小单步角位移即为执行器的分辨率。

通过不断减小压电执行器的驱动电压，测得其最小驱动电压值为30 V，此时执行器的输出曲线如图8所示。在30 V的驱动电压下，使压电执行器运动20步，其产生的角位移为125.47 μrad。因此，该压电执行器的分辨率：

图8 步进分辨率测试

4.3 承载能力

在实际应用中，负载能力是执行器的一项重要指标。本文中，通过不断向转子施加砝码的方式，对压电执行器在驱动电压150 V，驱动频率1 Hz下的承载能力进行了研究。在不同的负载下，压电执行器的输出步角情况如图9所示。通过试验获得，该压电执行器的最大负载能力为27 N。

图9 承载能力测试

5 结 语

本文研究了一种基于粘滑驱动原理的旋转式精密压电执行器。在锯齿波电压信号的驱动下，利用粘滑驱动原理，实现了执行器的大行程、高分辨率的角位移输出。十字交叉型柔性铰链能够有效将2个压电陶瓷的直线位移转化为旋转角位移。详细介绍了该压电执行器的结构组成与工作原理，并对执行器的运动进行了分析。建立了试验系统对执行器样机的工作性能进行了测试。

试验结果表明，该压电执行器运行稳定，输出角位移具有高度的重复性。在1 Hz驱动频率下最大运动速度为647.7 μrad/s，其位移分辨率为6.27 μrad，最大承载能力为27 N。该压电执行器具有较好的工程应用前景。