提高蠕动式压电直线驱动器输出力的研究进展

    张兆成，胡泓

(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨15000)

    摘要：蠕动式压电直线驱动器具有大位移行程和高位移分辨率的特点，但是箝位机构利用静摩擦力输出负载的方式大大限制了系统的进给刚度和输出推力：从箝位机构的结构类型、运动方式以及和新材料新技术的交叉廊用等方面，介绍了几种典型尺蠖驱动器的研究进展，为提高系统的输出力，指出了今后的研究方向。

    关键词：尺蠖驱动器；箝位机构；压电致动器

    中图分类号：TM38；TM35    文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2009)12—0061—04

0  引言

    随着科学技术的飞速发展，尤其是在精密光学工程、半导体制造、超精密微细加工与测量技术、微型机电系统、航空航天技术、现代医学及生物遗传丁程等诸多****科技领域，由于其仪器设备向高精度化和高性能化的发展，对纳米级微驱动系统提出了愈来愈高的要求。当运动分辨率达到亚微米级或纳米级时，固体致动器特别是压电致动器[1]在微驱动定位技术中体现出优势，但是直接利用压电变形的驱动定位系统有其明显的缺点，即位移行程小，最多数十微米，而且非线性。

   蠕动原理使压电直线驱动器可以实现大行程、高分辨率的双向运动。压电致动器本身具有足够高的刚度和输出推力，输出力町以达到3～30 kN，但是蠕动式压电直线驱动器(以下称尺蠖驱动器)的箝位机构(夹持器)利用静摩擦力传递负载的方式大大限制了系统的进给刚度和输出推力，输出力只是压电叠堆****输出力的很小一部分，这在很大程度上制约了尺蠖驱动器的实际应用。如何对箝位机构进行改进，更好地提高输出负载，是目前尺蠖驱动器研究的热点和难点问题。本文将从尺蠖驱动器箝位机构的结构类型、运动方式以及和新材料新技术的交叉应用等方面，介绍几种典型尺蠖驱动器的研究进展.

   

1  柔性放大机构箝位的心蠖驱动器

   采用柔性铰链放大机构，可以把压电致动器的 变形放大几倍甚至十几倍，在这方面有许多研究机 构做了大量的工作，常见于推动型和圆柱形状的蠖驱动器，图1 a的箝位机构由三个采用柔性铰链的柔性臂和两个支撑环和两个盖片组成^[2]，支撑环和盖片将 三个柔性臂合成一体，成120。对称，将压电叠堆的轴向变形放大为横向变形，为了增大接触面联 积，柔性夹持臂上的凹槽与输出导轴严格配合，试测得输出力为55 N。图lb是清华大学开发的一种，动采用柔性铰链构成的周向分布式杠杆箝位机构，该 构型基本上把整个输出轴抱死”，但这种结构过 大，不利于驱动器的小型化和高频响，该构型输出力大于30 N。图1 c的箝位机构通过在管中的径向膨胀抱死实现高的夹持力^[4]，箝位用压电叠堆通电1 kV时，产生60μm的变形，通过设训可以产生径向120μm的变形：这种构型比在外面夹持轴或杆的接触面积大。静态输出力和动态输出力分别为44．5 N和22 25 N。以DsM公司的FPA系列大输出力柔性八杆压电驱动器为例。，尽管功能方向以输出几百微米的位移，但是功能方向的刚度****只能达到2 2 N／μm，封锁力****为700N，而且体积比较大。因此，尽管柔性放大机构能够放大压电致动器的变形，减小了加T公差的要求，但是输出刚度太小，大大减小了系统的输出刚度和输出力^[6]。因此，对于摩擦力提供驱动力的尺蠖驱动器，要取得大的输出力****采取压电叠堆直接驱动箝位的方式。

 

     2  直接驱动箝位的尺蠖驱动器

    静摩擦力的大小依依赖于法向作用力和摩擦系数，对接触表面施加预紧或者增加接触表面的粗耘度可以增加摩擦力但是却限制了两个接触面的自由移动，由于压电致动器的变形非常小，因此一般要侈证两个接触面只有几个微米的间隙，这样大大增自了加工成本，而且系统的性能受加工精度的影响毫大。这些缺点可以通过研磨或增加可调机构来。图2a是典型的直接驱动箝位的尺蠖驱动器[7]，该构型整体结构通过电火花一体化加工而成，输出负载为200N，****静态输出力可以达到l kN对于这种平面箝位方式，运动方向的刚度并不和翕

位方向的一样高，同摩擦力一样，法向夹持力越大运动方向刚度越大。一个25 mm×25 mm的接触面积加E 5 kN的法向夹持力可以产生3 kN／μm的法向刚度和l 5 kN／μm的切向刚度；当夹持力变为kN时，法向刚度和切向刚度分别变为O．5 kN／μm和O．3 kN／μm。图