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2b是在图2a的基础上采用V形槽增加摩擦力，并且町以校正加工安装和摩擦的误差[8]。该驱动器****静态输出力可以达到8 kN。图2c的箝位机构通过柔性双平行板移动副与输出轴的圆弧形配合增加接触面积来提高摩擦力．输出力为l00N。采用特大输出力压电叠堆的系统只适用于静态系统。在灾持力不变的情况下，输出负载越大要求的摩擦接触面积就越大，相应的体积也就越大。因此对于该类型的驱动器输出力是与体积质量成丁F比的，对功率密度负面影响比较大。另外这种结构接触面与导轨的磨损比较大，影响寿命。直接驱动型可以比柔性放大型取得更大的输出力，尽管如此，压电尺蠖驱动器的动态输出力仍然限制在200 N以内，传统的增加法向爽持力和增大接触面积的方法无法满足需要，因此，迫切需要研制提高摩擦力的方法或者更好的替代方案。

3非压电陶瓷箝位的尺蠖驱动器

    如图3所示，清华大学ut利用电流变材料进行箝位，该尺蠖驱动器能克服现有压电驱动器的磨损和冲击问题，无需高精密加工工艺，显示出一些独特的优点：尽管目前ER流体对电场的响应速度和屈服强度还不能满足高速大输出力的应用要求，但是近年来不断有大剪切力强度和快速响应的ER报道，该类型的尺蠖驱动器值得跟踪关注。

4采用MEMS微齿箝位的尺蠖驱动器

    美国加利福尼亚大学(ucLA)根据脊齿的概念，利用MEMs技术在摩擦表面产生微齿，利用微齿的互锁替代了传统的摩擦箝位，使得输出推力不是由摩擦力提供，而是由微齿的弯曲变形抗力来实现，使尺蠖驱动器获得几百牛的输出推力[11]。微矩形齿是用单晶硅片进行湿法刻蚀而成。图4a是第二代样机构型，该构型使用梯形微齿，相对于矩形微齿，容易啮合而且剪切强度高，尺寸为上边长2μm，下边长9μm，高5μm，齿间距11μm^[12]。试验表明，梯形微齿可承受36 MPa的剪应力。在速度ll mm／s时，系统推力和拉力分别为450 N(峰峰值为900 N)，静态负载为2 250 N，功率密度为99 w／kg。但是，微齿的啮合不当非常容易产生微齿的破另外，基于微制造过程，几何参数和微观材料特性的疲劳强度的优化设计还需要进一步的深入研究。ucT。A****的设计，通过在另一个夹持表面使用超弹的形状记忆合金材料来避免破坏[13]。值得一提的是，图4b是Burleigh公司的Hende咖n利用MEMs技术制作的多轨箝位机构，多轨的结构使摩擦接触面积成倍增加，可以产生较大的摩擦力和输出力^[14]。

5多技术综合的尺蠖驱动器

    图5a的箝位机构由一对对称的柔性双层平行板移动副和一对对称的柔性单层平行板移动副及两个压电叠堆组成，一体化加工而成的结构来保证高的刚度和强度[15]。双层平行板移动副与输出杆接触，接触面采用ucLA的专利可以大大提高系统输出力。单层平行板移动副与一个楔形块耦合对箝位用压电叠堆施加预载，并调节接触面的间隙=输出杆使用高刚度、高强度、小质量的碳化硅材料。使用ucLA专利的情况下，输出力为 15 N，功率密度为5.4 w／kg，速度为25 mHl／s，加速度为500m／s2；不使用ucLA专利的情况下，输出力仅为75 N。

    图5b的箝位机构采用断电箝位工作方式，夹持力由压簧通过柔性双平行板移动副施加，当箝位用压电致动器加电时，抬起柔性平行板移动副释放输出杆，摩擦力与接触表面材料有关，为增加摩擦力使用银衬垫，输出杆使用碳化硅^[16]。该构型输出力150 N，功率密度56 w／kg，速度50 mm／s，加速度3700m／s2．

6采用离合器箝位的尺蠖驱动器

    1967年，Breskend通过简单的棘轮机构实现运动叠加[17]霖壶lj鼍寸过大难以实现压电陶瓷驱动的微米级运动．滚往离合器通过楔人辊子在内轴与外圆柱壁之间形或的被动夹持可以实现微米级的运动定位，但是这种离合器多用于旋转运动。1966年，Hsu首次利用线性离合器概念设计了第一款 驱动器[18]，其箝位机构是一种环形楔结构，通过压电片的偏转实现楔形辊子箝位，可以实现双向运动。美国声学与震动中心[19]’设计研制了许多类似

线性二极管的机械结构，最成功的概念就是如图6  所示的结构。该主动螺线管楔形辊子箝位机构可双向运动．但是功耗大，而且输出力小，该构型140μm的输入只能产生50 N输出力。图7a是一款直接利用楔块箝位的尺蠖驱动器(wedgewom-type)，楔块的自锁使系统输出力非常大，但缺点是在驱动频率较高时，楔块不能前行，并且楔块恢复力较大，只能实现单向可靠运动[20]。滚柱离合器的原理与线性离合器类似都是利用楔形箝位，但是滚珠离合器多辊子并联的结构可以大大提高输出力。因此，线性离合器可以借鉴滚柱离合器的原理实现大的输出力。

 

    如图7b所示，宾夕法尼亚州大学的Loverich在以往发展的基础上，提出螺旋的设计概念[19]。该结构由螺旋丝杠和两个旋转螺母(驱动螺母和保持螺母)组成，两个螺母沿丝杠的轴向运动被限制，只能进行转动，丝杠只能轴向运动不能绕轴旋转。螺母的旋转相当于楔形块的平动实现锁紧。旋转螺母有断电自锁功能。系统具有高的输出刚度与动态应。****输出力560 2 kg，****输出功率29 w，率密度6．1 w／kg。经过优化参数之后功率密度可以达到195w／kg。   

7结语

    压尺蠖驱动器具有广泛的应用背景，在保证体积质量不变甚至逐渐变小的情况下，大输出力技术的逐渐成熟将奠定其在高性能定位驱动市场的地位。我国在这方面的研究并不多见。本文系统总结了提高尺蠖驱动器输出力的各种技术方案，值得关注和深入研究的主要有以下几方面：

    (1)随着ER流体性能的改进，利用ER材料箝位将具有独特的优点。

    (2)利用MEMS技术改变箝位表面的微观特性，实现大的系统输出力具有重要的意义，应用前景广阔。

    (3)螺旋楔自锁箝位技术使楔形离合器概念在尺蠖驱动器的应用中更加实用化，理论上无限大的驱动力将会得到更多的关注。

    (4)对于主动箝位的尺蠖驱动器，根据具体的应用需要，综合三种构型(步进型、推动型和步进推动型)的特点，选择最合适的构型，尽量采用多种技术综合的方式(如直接驱动箝位、MEMS技术或断电箝位工作方式等)对构型进行优化设计，可以达到良好的性能。