朱鵬舉， 時運來， 趙淳生

(南京航空航天大學(xué)機械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室 南京，210016)

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一種新型大推力直線壓電作動器*

朱鵬舉， 時運來， 趙淳生

(南京航空航天大學(xué)機械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室 南京，210016)

設(shè)計了一種新型大推力直線壓電作動器，采用螺旋箝位的方式實現(xiàn)對壓電疊堆微小位移的累積輸出，實現(xiàn)了大推力和長行程。對該種作動器的驅(qū)動機理和作動器設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析,包括力矩電機的轉(zhuǎn)速設(shè)計、上下柔性聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)計、螺母和絲杠之間相關(guān)機械參數(shù)的設(shè)計以及對所選壓電疊堆進(jìn)行性能測試并選擇其最佳工作頻段。原理樣機長為140 mm,最大直徑為45 mm,重量為0.7 kg，行程為40 mm。在力矩電機轉(zhuǎn)速為300 r/min，壓電堆驅(qū)動頻率為100 Hz時，作動器的最大輸出力可達(dá)130 N。

壓電作動器； 絲杠； 尺蠖型； 大推力

引言

由于壓電材料具有優(yōu)越的動態(tài)性能、高能量密度和增量式定位能力，所以目前世界多國重點研究使用壓電材料的作動器(壓電作動器)[1]。和傳統(tǒng)的電磁作動器相比，壓電作動器具有不需要繞組和磁路、不依靠電磁耦合來獲得動力、定位精度高、輸出力大和響應(yīng)速度快等[2]優(yōu)點。壓電作動器的種類繁多，對于應(yīng)用于輸出直線或旋轉(zhuǎn)運動的壓電作動器，可以分為：壓電超聲電機、壓電微位移作動器、壓電慣性作動器和壓電尺蠖作動器[3]。目前，壓電超聲電機發(fā)展較為成熟，已成功運用到光學(xué)機器、汽車、航空航天和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域中[4]。壓電超聲電機具有低速大轉(zhuǎn)矩、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快、噪聲極低、斷電自鎖、不受磁場干擾、運動精確等優(yōu)點[5]及耐低溫、可在真空中正常運行等特點，但壓電超聲電機由于其原理的限制導(dǎo)致輸出力較小。壓電微位移作動器的結(jié)構(gòu)較為簡單緊湊，輸出力大，定位精度高，動態(tài)特性好，但工作行程較小[6]。壓電慣性作動器具有高分辨率、大行程的特點，但沒有箝位機構(gòu)導(dǎo)致輸出力和輸出剛度較小，且定位精度低[7]。

尺蠖作動器是仿照自然界的尺蠖運動設(shè)計開發(fā)的,利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)推動箝位機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)交替作用,使直線動子在直接箝位摩擦力作用下,輸出連續(xù)的精密位移[8]。尺蠖驅(qū)動的箝位方式分為3種：主動箝位型、被動箝位型和螺旋箝位型[9]。壓電尺蠖型作動器可以克服上述3種作動器的缺點，實現(xiàn)高分辨率、大行程、大推力和大功率密度的輸出[10]。另外，由于其原理簡單，可以根據(jù)需求設(shè)計出不同結(jié)構(gòu)的壓電作動器。筆者利用螺旋箝位的方式，設(shè)計了一種新型大推力直線壓電作動器，對驅(qū)動機理和設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了分析，制作出樣機并進(jìn)行了試驗研究。

1 新型大推力壓電作動器的結(jié)構(gòu)和工作原理

本研究開發(fā)的作動器箝位機構(gòu)屬于螺旋箝位型，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該作動器主要由絲杠、承載螺母、力矩電機、柔性聯(lián)軸器、驅(qū)動螺母、壓電疊堆、滾珠花鍵和外殼組成。其中：壓電疊堆為驅(qū)動元件；絲杠為輸出元件；承載螺母、力矩電機和驅(qū)動螺母通過柔性聯(lián)軸器依次連接在一起，組成箝位機構(gòu)。絲杠位于作動器的中心，穿過壓電疊堆、驅(qū)動螺母、聯(lián)軸器、力矩電機和承載螺母，并與兩螺母的內(nèi)螺紋相配合。滾珠花鍵用于限制絲杠的轉(zhuǎn)動，保證絲杠只能沿軸向運動。在初始狀態(tài)，承載螺母鎖緊在承載面上，壓電疊堆上端蓋緊壓在驅(qū)動螺母下端面上。

圖1 作動器基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the actuator

該作動器的工作原理如圖2～5所示。在圖3和圖5的承載螺母和驅(qū)動螺母運動狀態(tài)圖中，縱坐標(biāo)“1”代表螺母處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，“-1”代表處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，“0”代表處于不轉(zhuǎn)動狀態(tài)。在圖3和圖5的壓電疊堆狀態(tài)圖中，上升部分表示壓電疊堆在伸長，下降部分表示壓電疊堆在收縮。該作動器正向運動原理如圖2，3所示，具體運動過程如下。

在t=0～T/4(狀態(tài)a～狀態(tài)b)時，同時施加壓電疊堆激勵信號和力矩電機起動信號后，壓電疊堆開始伸長，將驅(qū)動螺母向上頂，驅(qū)動螺母帶動絲杠向上運動。此過程中，絲杠帶動承載螺母向上運動，因此承載螺母不再承受負(fù)載壓力，開始在力矩電機的帶動下正向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向著承載面方向的軸向位移。因驅(qū)動螺母和壓電疊堆之間的壓力很大，所產(chǎn)生的摩擦力阻止了驅(qū)動螺母跟隨力矩電機旋轉(zhuǎn)。

在t=T/4～T/2(狀態(tài)b～狀態(tài)c)時，壓電疊堆繼續(xù)伸長到最大伸長位置處，繼續(xù)帶動絲杠向上運動。此過程中，承載螺母在力矩電機的帶動下繼續(xù)正向旋轉(zhuǎn)，直到旋回承載面，驅(qū)動螺母同樣因其和壓電疊堆之間的摩擦力而不跟隨力矩電機旋轉(zhuǎn)。

在t=T/2～3T/4(狀態(tài)c～狀態(tài)d)時，壓電疊堆開始收縮，此時承載螺母也已旋回到承載面上，由于絲杠承受的負(fù)載，使得承載螺母壓緊在承載面上，不再跟隨力矩電機旋轉(zhuǎn)，同時也鎖緊絲杠使其不跟隨壓電疊堆向下運動。驅(qū)動螺母因壓電疊堆的快速收縮而與其分離，由于柔性聯(lián)軸器的作用，驅(qū)動螺母在力矩電機的帶動下快速正向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向著壓電疊堆上端面方向的軸向位移。

在t=3T/4～T(狀態(tài)d～狀態(tài)e)時，壓電疊堆繼續(xù)收縮，回到初始位置。此過程中，驅(qū)動螺母在力矩電機的帶動下繼續(xù)正向旋轉(zhuǎn)，旋回到壓電疊堆上端面上，承載螺母仍因負(fù)載作用，壓緊在承載面上，繼續(xù)鎖緊絲杠使其不產(chǎn)生向下的運動。由此，從狀態(tài)a到狀態(tài)e,作動器正向運動了一步。如此往復(fù)，便實現(xiàn)了正向的持續(xù)動力輸出。

圖2 正向運動原理示意圖Fig.2 Operating principle of the actuator in forward

圖3 正向運動時序圖Fig.3 Sequence chart of the actuator in forward

該作動器的回程運動原理如圖4，5所示，具體的運動過程如下。

在t=0～t1(狀態(tài)a～狀態(tài)b)時，在初始狀態(tài)a,壓電疊堆處于自然狀態(tài)，承載螺母鎖緊在承載面上，限制絲杠向下運動。同時施加壓電疊堆激勵信號和力矩電機起動信號后，驅(qū)動螺母跟隨力矩電機反向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向上的軸向運動。轉(zhuǎn)動到一定角度后，同驅(qū)動螺母相連的柔性聯(lián)軸器達(dá)到最大扭矩，驅(qū)動螺母停止旋轉(zhuǎn)。承載螺母由于負(fù)載的作用，壓緊在承載面上，不隨力矩電機旋轉(zhuǎn)。壓電疊堆在0～T/2時間內(nèi)伸長，在t1時刻，壓電疊堆上端面頂住驅(qū)動螺母下端面。此過程中，由于驅(qū)動螺母的反向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了沿著絲桿向上的軸向位移，使得壓電疊堆在0～t1階段內(nèi)伸長的位移沒有傳遞到絲杠上。

圖4 回程運動原理示意圖Fig.4 Operating principle of the actuator in backward

圖5 回程運動時序圖Fig.5 Sequence chart of the actuator in backward

在t=t1～T/2(狀態(tài)b～狀態(tài)c)時，在t1時刻，驅(qū)動螺母下端面和壓電疊堆上端面壓緊在一起。此后，壓電疊堆帶動驅(qū)動螺母向上運動，驅(qū)動螺母又帶動絲杠向上運動。此過程中，絲杠帶動承載螺母脫離承載面，承載螺母開始在力矩電機的帶動下反向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生遠(yuǎn)離承載面的軸向位移。

在t=T/2～3T/4(狀態(tài)c～狀態(tài)d)時，壓電疊堆開始收縮，在負(fù)載作用下，絲杠隨壓電疊堆的收縮向下運動，承載螺母繼續(xù)反向旋轉(zhuǎn)的同時跟隨絲杠向下運動，直至和承載螺母相連的柔性聯(lián)軸器達(dá)到最大扭矩。由于負(fù)載的作用，驅(qū)動螺母和壓電疊堆壓緊在一起，不隨力矩電機旋轉(zhuǎn)。

在t=3T/4～t2(狀態(tài)d～狀態(tài)e)時，承載螺母停止旋轉(zhuǎn)后跟隨絲杠向下運動，回落到承載面上。此過程中，驅(qū)動螺母因負(fù)載的作用，和壓電疊堆上端面壓緊在一起，仍不隨力矩電機旋轉(zhuǎn)，直至承載螺母落回到承載面鎖緊絲杠承受負(fù)載。由此，由于絲杠正向的位移小于反向的位移，作動器反向運動一步。如此往復(fù)，作動器實現(xiàn)了回程運動。

2 作動器關(guān)鍵技術(shù)問題分析及設(shè)計

2.1 力矩電機的選擇和轉(zhuǎn)速設(shè)計

2.1.1 力矩電機的選擇

力矩電機是作動器箝位機構(gòu)的重要元件之一，用于通過柔性聯(lián)軸器向螺母傳遞扭矩，使得驅(qū)動螺母和承載螺母能夠在絲杠上交替旋轉(zhuǎn)，達(dá)到箝位的目的。在選擇力矩電機時，必須保證力矩足夠大，能夠快速的將螺母旋到指定位置。這里選擇的是國產(chǎn)的NH45LYX系列直流力矩電機，其力矩為0.44 N·m，驅(qū)動電壓為27～45 V，額定功率為151.2 W，最大外徑為45 mm,內(nèi)徑為15 mm。對應(yīng)的編碼器選用的是增量式光柵編碼器，用于力矩電機的速度控制。

2.1.2 力矩電機的轉(zhuǎn)速設(shè)計

由該作動器的驅(qū)動原理可知，整個作動器的性能和壓電疊堆、力矩電機、驅(qū)動螺母和承載螺母以及絲杠之間的匹配息息相關(guān)。在正向運動時，必須考慮到壓電疊堆的振動頻率和力矩電機的轉(zhuǎn)速匹配問題。由圖2中T/2-3T/4(狀態(tài)c-狀態(tài)d)的運動階段可知，壓電疊堆在開始收縮時，必須保證承載螺母已旋回承載面鎖緊絲杠來支撐負(fù)載，以防止絲杠在負(fù)載作用下隨壓電疊堆的收縮往回運動。由此，必須對作動器作動過程中各部件之間的匹配關(guān)系進(jìn)行分析。設(shè)力矩作動器初始轉(zhuǎn)速為n1，壓電疊堆的作動頻率為f，振幅為Δδ，壓電疊堆伸長時產(chǎn)生的推力為Fs，作動器外加負(fù)載為P，絲杠螺距為b，絲杠和兩個螺母的總質(zhì)量為Μ。在初始狀態(tài)，驅(qū)動螺母下端面和壓電疊堆的上端面壓緊在一起，故不需考慮螺母和絲杠之間的間隙。

正向運動時，設(shè)為絲杠在被正向推動時的加速度，應(yīng)滿足

(1)

(2)

在壓電疊堆伸長的時間T/2內(nèi)，絲杠前進(jìn)的位移為

(3)

若s>Δδ,則絲杠在運動過程中，驅(qū)動螺母和壓電疊堆的上端面脫離，此情況不成立，則絲杠的行程為Δδ。

若要保證壓電疊堆伸長到最大伸長處，承載螺母已經(jīng)旋回承載面，則需滿足承載螺母向下旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向距離應(yīng)不小于絲杠帶動其前進(jìn)的距離。承載螺母在力矩電機的帶動下向下旋轉(zhuǎn)的過程中，速度由初始轉(zhuǎn)速n1降為0。假設(shè)當(dāng)壓電疊堆伸長到最大伸長位置時，承載螺母恰好旋轉(zhuǎn)回承載面上并停止旋轉(zhuǎn)。由此，承載螺母的動能全部轉(zhuǎn)化為柔性聯(lián)軸器的勢能。假設(shè)與承載螺母相連的柔性聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)剛度為K1，與驅(qū)動螺母相連的柔性聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)剛度為K2，承載螺母的轉(zhuǎn)動角度為θ，力矩電機的初始角速度為w，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量為I，則

(4)

(5)

承載螺母在T/2時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向下軸向距離s1為

(6)

s1應(yīng)滿足s1≥Δδ，聯(lián)合式(6)解得

(7)

絲杠理論上的前進(jìn)速度應(yīng)為

(8)

若s≤Δδ，則絲杠在運動過程中始終和疊堆接觸，此情況成立時絲杠的行程為s，壓電疊堆的部分位移被柔性聯(lián)軸器吸收。若要保證壓電疊堆伸長時，承載螺母已旋回承載面，需滿足

s1≥s

(9)

由式(9)可得力矩電機的轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足

(10)

絲杠的理論前進(jìn)速度為

(11)

同樣，回程運動時,在圖4中(a)～(b)階段時間為t1。在這個階段中，驅(qū)動螺母由初始轉(zhuǎn)速n1逐漸變?yōu)?，驅(qū)動螺母的動能全部轉(zhuǎn)化為和驅(qū)動螺母相連的柔性聯(lián)軸器的勢能。設(shè)驅(qū)動螺母轉(zhuǎn)動的角度為θ1，由能量之間的轉(zhuǎn)換可得

(12)

(13)

在這個階段驅(qū)動螺母旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向上的軸向距離為

(14)

在t1時刻，壓電疊堆上端面頂住驅(qū)動螺母下端面，設(shè)壓電疊作動角頻率為ω′，則有

(15)

(16)

承載螺母在t1后脫離成承載面，開始轉(zhuǎn)動，直至和承載螺母相連的柔性聯(lián)軸器達(dá)到最大扭矩。設(shè)這期間承載螺母旋轉(zhuǎn)的角度為θ2，則有

(17)

聯(lián)合式(13)解得

(18)

若要保證壓電疊堆伸長時，承載螺母已經(jīng)回落到承載面，需滿足承載螺母旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向距離小于驅(qū)動螺母旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向距離，即

θ2b<θ1b

(19)

聯(lián)合式(13)，(18)解得

(20)

在滿足式(20)的條件下，壓電疊堆伸長時，承載螺母已經(jīng)旋回承載面。故在選用兩柔性聯(lián)軸器時，需考慮其扭轉(zhuǎn)剛度的大小，滿足式(20)。另外，柔性聯(lián)軸器的軸向剛度不能過大，需可以吸收壓電疊堆的最大位移。由于疊堆最大位移在20 μm左右，柔性聯(lián)軸器一般都可以達(dá)到要求，故不需對其軸向剛度做特別要求。

另外，初始狀態(tài)壓電疊堆頂在驅(qū)動螺母上回程運動時，圖4(a)狀態(tài)，力矩電機開始帶動驅(qū)動螺母反向旋轉(zhuǎn)，需要克服壓電疊堆端蓋和驅(qū)動螺母之間的摩擦力。設(shè)驅(qū)動螺母和壓電疊堆端蓋之間的摩擦因數(shù)為μ，驅(qū)動螺母外徑為r1，內(nèi)徑為r2，壓電疊堆與驅(qū)動螺母之間的預(yù)壓力為Fp，若要使力矩電機帶動驅(qū)動螺母旋轉(zhuǎn)，則力矩電機的轉(zhuǎn)矩M0與預(yù)壓力Fp之間需滿足

(21)

(22)

即壓電疊堆和驅(qū)動螺母之間的預(yù)壓力不能過大，需滿足式(22)。

2.2 螺母和絲杠的設(shè)計

螺母和絲杠之間構(gòu)成了作動器的關(guān)鍵部分-箝位機構(gòu)部分。螺母和絲杠之間相當(dāng)于兩個楔形塊，絲杠上的螺紋可展開成一個斜面，如圖6所示[11]。圖中：FHC為被動偏轉(zhuǎn)力；PL為負(fù)載重量。

圖6 箝位結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic of the clamp structure

不考慮慣性效應(yīng)的條件下，若支持負(fù)載，須滿足以下條件

Fμ+FHC≥PLtanα

(23)

其中：Fμ=μcPL。

FHC≥PL(tanα-μc)

(24)

對于被動偏轉(zhuǎn)力是一個定值，要使式(24)始終成立，需滿足

α≥arctanμc

(25)

即在滿足式(25)的條件下，螺母和絲杠可以實現(xiàn)自鎖。實驗用絲杠和螺母材料均為不銹鋼304，摩擦因數(shù)μ為0.12，則

α≤arctanμc≈7°

(26)

設(shè)計時絲杠和螺母的螺旋面鍥角應(yīng)小于7°。

2.3 壓電疊堆的選擇

壓電疊堆是作動器的驅(qū)動元件，壓電疊堆的選擇對作動器的性能非常關(guān)鍵。首先，必須是中空型壓電疊堆，內(nèi)徑需大于絲杠的外徑；其次，要考慮到與力矩電機、驅(qū)動螺母的尺寸相匹配。這里選擇的是德國PI公司生產(chǎn)的低壓環(huán)形機械封裝式壓電陶瓷，型號為HPSt 150/14-10/25 VS22，如圖7所示。該壓電疊堆外徑為22 mm，內(nèi)徑為7.5 mm，長為52 mm。工作電壓為0～150 V，最大行程為32 μm，最大承受負(fù)載為6 kN，最大推力為4.5 kN。其電壓、頻率和振幅之間的關(guān)系如圖8所示。

圖7 實驗所用壓電疊堆Fig.7 Piezoelectric stack used in the experiment

圖8 頻率-振幅曲線圖Fig.8 Operating frequency vs amplitude of the piezoelectric stack

3 實驗研究

3.1 實驗系統(tǒng)組成

圖9為作動器外殼與內(nèi)部結(jié)構(gòu)實物圖。整個作動器長為140 mm，最大外徑為45 mm，重量為0.7 kg，最大行程為40 mm。

圖9 作動器結(jié)構(gòu)實物圖Fig.9 Prototype of the actuator

圖10 測試裝置Fig.10 Testing devices

圖10為作動器性能測試裝置。為了方便改變負(fù)載大小，將水桶的重量通過一個定滑輪和單向運動平臺傳遞到作動器的輸出軸絲杠上，通過改變水桶中的水量來改變負(fù)載的大小。

3.2 實驗結(jié)果分析

圖11為壓電疊堆激勵頻率分別為75, 100，125 Hz下的作動器速度和負(fù)載關(guān)系圖?？梢钥闯?，作動器的速度基本隨負(fù)載的增大線性變小。在壓電疊堆激勵頻率為100 Hz、力矩電機的轉(zhuǎn)速為300 r/min時，作動器輸出推力可達(dá)130 N。在負(fù)載低于30 N時，作動器的速度變化較平緩，這主要是由于在這種負(fù)載下，力矩電機的轉(zhuǎn)速對作動器的速度影響較大。因為在負(fù)載較小的情況，壓電疊堆即使不作動，力矩電機就可以驅(qū)動負(fù)載。

圖11 不同壓電疊堆驅(qū)動頻率下的速度-負(fù)載曲線Fig.11 Speed vs load of the actuator with different driving frequency of the piezoelectric stack

對該作動器測試時，施加的壓電疊堆激勵頻范圍為50～125 Hz，每種頻率下對應(yīng)的最大功率如圖12所示?？梢姡瑝弘姱B堆頻率為100 Hz時，作動器能達(dá)到最大功率，這是壓電疊堆的驅(qū)動頻率和響應(yīng)幅值共同作用的結(jié)果。

圖12 頻率-功率曲線圖Fig.12 Frequency vs power of the actuator

由回程原理可知，絲杠必須在有負(fù)載情況下才能實現(xiàn)回程。回程時由于力矩電機驅(qū)動器限流，回程時力矩電機轉(zhuǎn)子所受阻力變大，電流過流導(dǎo)致力矩電機驅(qū)動器自動關(guān)閉，所以只測試了負(fù)載為40 N以下時的作動器性能。在壓電疊堆頻率為100 Hz時，所測作動器回程性能如圖13所示。

圖13 速度-負(fù)載曲線圖Fig.13 Speed vs load of the actuator

4 結(jié)束語

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*國家自然科學(xué)基金面上資助項目(51275235，51275242)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(NJ20130004)

2014-10-14；

2014-12-03

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.01.028

TM356； TB318； TH703.6

朱鵬舉，男，1989年11月生，碩士研究生。主要研究方向為新型大推力壓電作動器。 E-mail:pj-zhu0516@163.com 通信作者簡介：時運來，男，1976年10月生，副教授、碩士生導(dǎo)師。主要研究為壓電作動技術(shù)及其應(yīng)用。 E-mail:shiyunlai950438@nuaa.edu.cn