压电叠堆泵驱动的精密步进驱动电机

第 15 期
范尊强等：压电叠堆泵驱动的精密步进驱动电机
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小，只能达到微米级[6]，而在大行程时，需要宏/ 微驱动结合，除了结构复杂以外，宏动过程的带间 隙机械传动还给系统带来积累误差。步进型精密步 进驱动电机也是一种大行程的精密步进驱动电机， 它利用微动台的步进蠕动运动的原理，实现大行程 精密驱动[7]；但它仍然存在步进速度较慢、承载能 力不大、钳位机械单元的加工精度不能满足使用要 求，在高频时出现钳位和步进的紊乱使步进驱动失 效[8]等问题。
KEY WORDS: piezoelectric step motor; piezoelectric pump; precision; flexible hinge; long stroke
摘要：提出一种新型压电直线精密步进驱动电机，其结合电 流变技术替代机械阀装置，由此实现高精度和高速的性能。 该步进驱动电机采用压电泵作为步进驱动动力源，以压电叠 堆的伸缩和薄壁蝶形铰链微变形结构驱动泵腔容积的变化， 进而控制精密液压缸完成步进运动。解决了以往压电精密步 进驱动电机钳位不牢固、步进频率较低、行程小、分辨率低、
驱动下，泵腔体积变小，驱动电流变液体流出泵腔。
由于电流变阀 1 关闭，液体通过电流变阀 2 进入精 密液压缸，在液体压力下推动活塞及活塞杆按图示
方向运动一步。
3）对电流变阀 2 通电，在电场作用下电流变 液从液相快速转化为固相，使阀 2 处于关闭状态。
4）电流变阀 1 断电，阀内电流变液从固相快 速转化为液相，使阀 1 处于畅通状态。
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中国电机工程学报
第 30 卷
2 压电叠堆泵设计与制作
2.1 泵腔参数设计
如图 3 所示，设活塞沿叠堆作用方向移动距离
b，虚线表示变形后的活塞和密封膜片位置，活塞
外缘到密封膜片外缘的环径为 t，活塞直径为 d，阴
影部分代表容积变化 ΔV，则有
ΔV
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=
πb d 2 (
+ t2)
(1)
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d 密封膜片
超精密压电微动工作台是超精密压电步进驱 动电机中较为成熟的一种[5]，德国 PI 公司、美国的 国家标准局、日本产业技术研究所、中国哈尔滨工 业大学等机构都对其展开了深入研究。哈尔滨工业 大学孙立宁带领的研究团队完成的宏、微动台代表 了国内的领先水平，其驱动分辨率达到 5~10 nm， 驱动力也达到数百牛顿，但超精密驱动的行程较
1 步进驱动电机工作原理与结构特点
1.1 工作原理 图 1 是压电/电流变液压混合步进驱动电机的
系统原理图。该系统实现精密步进驱动的工作机理 如下。
无阀压电叠堆泵
1）初始状态，各工作单元处于自由状态，电 流变液充满各个空腔。对电流变阀 1 通电，在电场 作用下电流变液从液相快速转化为固相，使阀处于
关闭状态，电流变阀 2 无电场，处于畅通状态。 2）对无阀压电叠堆泵通电，在一个脉冲电压
电叠堆泵具体结构如图 2 所示。
活塞
蝶形弹簧
金属密封膜片
工作腔
电流变阀 1
电流变阀 2
电流变液
步进驱动 精密液压缸
图 1 压电/电流变液压混合步进驱动系统原理图 Fig. 1 Piezo-/ER stepper motor driven principle
缓冲腔
出水口
进水口
图 2 压电叠堆泵体结构 Fig. 2 Piezoelectric stack pump structure
基金项目：国家自然科学基金项目(50605027，50775093)；中国博 士后科学基金项目(20070420198)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50605027, 50775093); China Postdoctoral Science Foundation (20070420198)．
关键词：压电步进驱动电机；压电泵；精密；柔性铰链；大 行程
0 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、超精密机械制造、 超精密微机器人操作、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[1]。传统的步进驱动电机技术已不能满足工业领 域发展的需求[2-3]，以压电陶瓷为核心的超精密步进 驱动器在各高技术领域正逐步得到应用。
压电驱动是利用压电材料的逆压电效应原理 以及特殊的机械结构来实现精密步进驱动的新技 术。由于压电陶瓷叠堆具有纳米级精度的稳定输出 位移，并且具有线性好、控制方便、分辨率高、响 应频率高、发热少、无磁干扰、噪声低等特点，因 此采用该结构设计的压电驱动器具有独特的优势。 近年来，压电精密驱动技术已成为国内外精密驱动 领域的研究热点之一[4]。
液压系统进行桥式连接可以实现正反向驱动。
1.2 压电叠堆泵的结构 金属密封膜片与活塞通过特种胶紧密地粘合
在一起，在外加激励作用下压电叠堆推动活塞，活
塞带动金属膜片上下运动从而实现泵腔容积变化，
分别连接电流变阀 1 和 2。当腔体容积增大时，电 流变阀 1 开启，电流变阀 2 关闭，液体流入；当腔 体容积减小时，电流变阀 2 开启，电流变阀 1 关闭， 液体泵出；如此循环实现液体的连续单向流动。压
针对超精密压电驱动过程中出现的问题，可利 用压电流体泵驱动终端执行机构(精密液压缸)实 现高性能精密步进驱动。这是因为压电流体泵不 仅具有较高的能量密度(单位体积的流体输出能 力)，且压电泵的流量分辨率高[9]；现有的有阀压电 泵则存在机械阀的早期摩擦、磨损及疲劳破坏等问 题[10]。无阀压电泵能够实现高的工作频率，但由于 缺少控制阀，在泵工时存在严重的液体回流现象， 泵的工作压力和流体作截止性大幅下降[11]，这些缺 点将严重影响流体液压驱动的驱动精度和驱动能 力。针对上述问题，本文提出的压电和电流变 (electrorheological，ER)混合超精密步进驱动利用压 电叠堆无阀泵实现高频、高精度的流体驱动，利用 电流变液在外加电场作用下能够在液相和固相之 间进行快速转变，来实现阀的高频开关控制，并通 过终端执行机构(精密液压缸)实现精密步进驱动， 从而形成一种高频、高步进速度、高分辨率、大行 程、大驱动能力的精密脉冲液压步进驱动电机[12-13]， 具有连续可控、能耗低的特点[14-16]。
活塞
t
b
图 3 工作腔容积变化示意图
Fig. 3 Diagram of chamber volumetric change
在本设计中，活塞直径 d = 48 mm，膜片环宽度
t = 2.4 mm，叠堆最大位移输出位移 bmax = 0.1 mm。计 算得最大容积变化 ΔVmax = 109.5 mm3 = 0.109 5 mL， 则当泵工作在 15 Hz 下，不考虑系统共振时的最大
(College of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130025, Jilin Province, China)
ABSTRACT: A novel precision piezoelectric step motor is proposed and its combination of electrorheological (ER) technology as an alternatives to mechanical valves device, thus achieving high precision and high-speed performance. The step motor is driven by the piezoelectric pump. The principle is the volume change of the chamber caused by thin-walled butterfly stretch and deformation of the hinge structure and this drives the precision hydraulic cylinder to complete a step. It adopts the principle of bionics and works with a new method of piezoelectric stack pump and a distortion structure of thin flexible hinge. It solved problems of the past piezoelectric precision stepper motor that the anchoring/loosen isn’t enough, low stepper-frequency and velocity, small travel, low resolution and the driving force of instability. The experiment shows that the novel linear piezoelectric step motor worked with high frequency (100 Hz), high speed (502 μm/s), large travel distance (10 mm), high resolution (0.05 μm) and high load ( >100 N). This kind of new piezoelectric step motor will be applied for large travel distance and high resolution driving device, optics engineering, precision positioning and some micro-manipulation field.
压电叠堆泵驱动的精密步进驱动电机
范尊强，刘建芳，阚君武，杨志刚，李建桥
(吉林大学机械科学与工程学院，吉林省 长春市 130025)
A Novel Precision Step Motor Based on Piezoelectric Stack Pump
FAN Zun-qiang, LIU Jian-fang, KAN Jun-wu, YANG Zhi-gang, LI Jian-qiao
流量约为 98.6 mL/min。泵的实际最大流量在方波
(频率为 15 Hz)时测得，约为 300 mL/min，可知此时
泵工作于系统的谐振频率，活塞的输出位移为
0.304 mm，远大于压电叠堆的标称位移。
2.2 压电叠堆性能的分析
根据压电学理论可知，驱动电压越高，叠堆的
速度低、驱动力不稳定等问题。研制的压电叠堆泵直线步进 驱动电机能够实现高频率(100 Hz)，高速度(502 μm/s)，大行 程( >10 mm)，高分辨率(0.05 μm)，大驱动力(100 N)等特点， 提高了压电型步进驱动电机的整体驱动性能。该步进驱动电 机在精密运动、微操作、光学工程和精密定位等精密工程中 有广阔的应用前景。
第 30 卷 第 15 期 106 2010 年 5 月 25 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.30 No.15 May 25, 2010 ©2010 Chin.Soc.for Elec.Eng.
文章编号：0258-8013 (2010) 15-0106-06 中图分类号：TH 137 文献标志码：A 学科分类号：470·40
5）压电泵断电，压电叠堆回缩，泵腔体积变 大，由于电流变阀 2 关闭，所以电流变液体通过电 流变阀 1 被吸入泵腔。
6）对电流变阀 1 通电，在电场作用下电流变 液从液相快速转化为固相，使阀 1 处于关闭状态， 此时，电流变阀 2 也处于关闭状态。
7）电流变阀 2 断电，电流变液从固相快速转 化为液相，使阀 2 处于畅通状态。此时，系统回到 1）所处状态，完成一个步进周期，连续重复该过 程，可以驱动精密液压缸活塞步进运动。另外，对