大行程压电驱动旋转平台的设计与分析

施加电压时 ,夹具处于放开状态 ,轴可以自由转动 。它的
好处是当无电压输入时 ,可以牢牢通过预紧力钳住轴 ,因
此 ,旋转平台可以在不通电情况下保持位置不变 。
PZT 4能够产生非常大的力 ,但是它们只能产生很
微小的位移 。如果直接使用 PZT 4 产生的位移来箝位 ,
会要求机械部分有很高的制造精度 ,使得制造成本很高 。
·机械制造与研究 ·
陈磊 ,等 ·大行程压电驱动旋转平台的设计与分析
大行程压电驱动旋转平台的设计与分析
陈磊 ,王化明 ,朱剑英
(南京航空航天大学 机械电子工程系 ,江苏 南京 210016)
摘 要 :提出了一种新的压电驱动的旋转平台 ,用来在微米及纳米级操作中实现高精度 、大行 程的转动 ,平台包括两个夹具 、一个驱动器和一个扭矩输出轴 。通过驱动器驱动 ,并且利用两 个夹具间的轮换工作而得到连续的旋转位移 。分别在驱动器和夹具中使用 Scott2russell机构和 桥式机构 ,通过这两种柔性机构来分别实现旋转运动和得到较大的位移 。对于主要的零件部 分 ,使用有限元法进行分析 ,根据结果进行优化 。 关键词 :压电驱动 ;旋转平台 ;柔性机构 中图分类号 : TH122 文献标识码 : B 文章编号 : 167125276 (2009) 0220005203
o f Ae ro na u tic s & A s tro na u tic s, N a n jing 210016, C h ina )
Abstract:A new p ie zo e le c tric2a c tua te d ro ta ry s ta ge is p re se n te d a nd u se d to re a lize h igh2p re c is io n, la rge 2ra nge ro ta tio n fo r m ic ro / na no 2m a nufa c tu ring, inc lud ing two c lam p ing de vice s, o ne a c tua ting de vice a nd to rque o u tp u t sha ft. Co n tinuo u s ro ta ry po s itio n ing is o b ta ine d by a ccum u la ting m ic ro 2s tep s a ch ie ve d by a c tua ting de vice w h ile c lam p ing o u tp u t sha ft a lte rna tive ly. S co tt2ru s se ll a nd B ridge 2typ e m e cha n ism a re u se d a s com p lia n t m e cha n ism fo r a c tua ting a nd c lam p ing de vice s re sp e c tive ly, by w h ich ro ta ry m o ve 2 m e n t a nd la rge d isp la cem e n t ca n be ga ine d. F in ite e lem e n t m e tho d is u se d to a na lyze the m a in p a rts a nd to op tim ize the de s ign. Key words:p ie zo e le c tric2a c tua te d; ro ta ry s ta ge; com p lia n t m e cha n ism
作者简介 :陈磊 (1982— ) ,男 ,江苏省无锡人 ,南京航空航天大学硕士研究生 ,研究方向为机电一体化 。 M achine B uilding A utomation, Ap r 2009, 38 ( 2 ) : 5 ～7, 11
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陈磊 ,等 ·大行程压电驱动旋转平台的设计与分析
0 引言
近年来 ,微机电系统 、IC制造工艺 、生物工程 、精密光 学工程和超精密加工等领域的快速发展 ,迫切需要能够在 亚微米级 ,甚至在纳米级精度上进行精密位移致动的系统 及装备 ,微位移技术得到越来越广泛的应用 。
当前 ,大行程精密定位装置根据运动原理 ,大致可以 分成两个类别 : 1) Stick - slip 原理的摩擦驱动型 ; 2)钳位 式步进型 [3, 4 ] 。在两者中 ,步进型驱动器的优点在于它大 位移 、高分辨率和准确定位的能力 。步进型驱动器的原理 是不断的累计驱动器产生的微小位移 ,从而实现大行程的 位移 。一个典型的步进型驱动器有三个主要元件 :二个夹 具和一个驱动器 。
D esign and Ana lysis of Large2range P iezoelectr ic2actua ted Rotary Stage
CHEN Lei, WANG Hua2m ing, ZHU J ian2ying ( S choo l o f M e cha n ica l a nd E le c trica l Eng ine e ring, N a n jing U n ive rs ity
1 机械机构和工作原理
如图 1所示 ,步进式旋转平台由三个主要部分组成 :
上夹具 1,下夹具 3和驱动器 2。下夹具 3 与驱动器 2 的 定子部分相固定 ,上夹具 1 与驱动器 2 的转子部分相固 定 ,这三个部分都由压电陶瓷 PZT驱动 。桥式机构由于 它的高倍数的放大位移作用和能在预紧力作用下 ,通过摩 擦力钳住输出轴 4 而被用作柔性机构 [3 ] 。当对夹具的 PZT施加电压时 , PZT克服预紧力并且产生小位移 ,由桥 式结构放大 ,在夹子和轴 4之间产生较大的位移 ,从而放 开轴 4。当对驱动器的 PZT施加电压时 ,驱动器 2的转子 部分将通过 Scott2russell机构转动一个小角度 ,当电压信 号消失 ,转子部分和定子部分间的柔性铰链将通过弹性力 作用使得转子部分回到原位 。
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图 7 桥式放大机构
图 8 夹具
图 6 ANSY S软件模拟的平台位移情况
4 驱动信号波形
3 夹具
如图 9所示 ,由 N I PC I26722卡产生的 4 Hz信号波形 经由功率放大器放大后作用于压电驱动器 。
一般来说 ,夹具有两种运动状态 :箝位和放开 [3 ] 。当
1 tanθ
(1)
源自文库
综上所述 ,夹具设计如图 8所示 ,包括 :夹子 1、桥式机
构 2, PZT 4等 。上夹具和下夹具机构基本相同 ,只是安装
孔的位置不同 。当适当的预紧力施加于横梁上 ,输出轴将
被钳住 。当电压施加于 PZT 4时 , PZT 4可以克服预紧力而
伸长 , PZT 4产生的位移被放大后 ,夹子 1就可以松开轴 。 角度 θ被设置的 5°,通过式 (1)计算得放大比率是 5. 71。
因此需要有一个放大的机构 ,能够放大 PZT 4 产生的微
小位移 。
设计采用桥式结构作为放大机构 ,如图 7所示 。比较
杠杆式铰链 ,这种机构可以获得更高的放大倍数和更高的
刚度 ,并且在紧凑和对称的机构中 ,比较容易设计成长度
AC等于 B C。放大比率可以通过下式获得 :
ratio
=σσrrBC≈
2
旋转平台的工作步骤如下 : a) 对下夹具 3的 PZT施加电压信号 ,上夹具 1和轴 4 都无信号输入 ,此时 ,轴 4被上夹具 1钳住 ; b) 对驱动器 2的 PZT施加电压信号 ,从而在驱动器 2转子和定子部分间产生小转动角度 ,并且带动上夹具 1 和轴 4一起旋转 ; c) 取消下夹具的 PZT输入电压信号 ,对上夹具 1的 PZT施加电压信号 ,轴 4由下夹具钳住 ; d) 驱动器 3施加信号变为零 ,转子部分和上夹具 1将会 回到原位。一个循环周期结束 ,这三部分都在它们的初始位 置 ,而轴 4转动了一定的角度 ,然后进入下个运动周期。 当驱动器 3驱动轴不断转动时 ,上夹具 1和下夹具 3 轮流钳住轴 4,实现步进的旋转运动 ,进而不断累积小角
图 3 Scott2russell机构示意图
图 1 旋转平台示意图 度位移达到大行程的转动 。
点 P绕中心旋转并不代表转子也会绕着中心旋转 。 当点 P驱动转子时 ,产生的力量可以是等效于一个使转 子 1转动的力矩和一个产生位移的力 (图 4) ,因此 ,点 P 不仅会产生转动也会产生平移 ,这也意味着旋转中心不是 平台的中心 。根据上述分析 ,应该对对称于中心的两个点 施加相等的一对作用力来使转子 1转动 ,如图 5所示 。
由转动 ,同时 ,当没有输入信号时 ,轴在预紧力作用下可以
被牢牢钳住 。
(下转第 11页 )
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王京波 ,等 ·液压机上横梁的结构优化
的总质量由原来的 23 t减小到 19. 9 t,节约材料 3. 08 t,将 近 13. 4%。由 于 筋 板 的 布 置 更 加 合 理 , 最 高 应 力 降 为 149 M Pa,在许用范围之内 ,而横梁的总体变形不大 。表 3 所列出的即是优化前后设计变量 、状态变量以及目标函数 的变化情况 。
Scott2russell机构如图 3 所示 。它并不是作为放大位 移机构 [4 ] ,而是被用来形成绕圆心的转动 。如图 2上 AB 2 CP四点连线构成的 Scott2russell机构所示 ,当点 B 沿 x方 向移动时 ,点 P向 y方向作相应地运动 。
要使转子绕中心运动 ,点 P应该绕中心运动 。否则 , 上夹具会对轴产生一个额外的力 ,这是应该避免的 。运动 部件 3的瞬时速度中心可以通过图 3的图形表示 。当瞬 时速度中心与平台的中心相重合时 ,运动部件 3就可以绕 着平台中心转动 。
图 9 输入电压波形
5 小结
采用压电陶瓷 PZT来设计步进型旋转平台 ,两个夹
具轮流钳住输出轴 ,因此微小的角度位移可以累积成大行
程的转动 。
经 ANSYS软 件 分 析 , 驱 动 器 使 用 Scott2russell机 构
后 ,转子绕着中心旋转桥式机构被用于放大 PZT的微小
位移 ,使得夹具的夹子与轴之间的间隙变大 ,让轴可以自
图 4 单点受力示意图
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图 5 两点受一对作用力示意图
图 2 驱动器
当电压信号施加于 PZT 4 上 ,点 P, Q 分别受到一个 力 ,但是方向相反 ,从而构成一对作用力 ,驱动转子 1绕中 心旋转 。转子 1与定子 2通过 4个直角柔性铰链连接 ,当 输入电压变为零时 ,可以通过铰链的弹性回复力让转子 1 回复原位 。
图 6是由 ANSYS软件分析的上述两种情况的转动平 台在 PZT 4驱动下的模拟位移 。在图 6 ( a) ,旋转中心与 平台中心几乎重合 ,而在图 6 ( b)它们偏离比较大 。
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2 驱动器
驱动器如图 2所示 ,主要包括四个部分 :转子 1、定子 2、运动部件 3和 PZT 4。4个圆角柔性铰链连接转子 1、定 子 2和运动部件 3组成 Scott2russell机构 ,当 PZT 4被施加 电压信号时 , Scott2russell机构将 PZT 4的直线位移转化为 转子 1部分的角度位移 。
现设计了一种新的步进型旋转平台 ,由压电陶瓷 PZT 驱动 ,并且通过柔性铰链组成的 Scott2russell机构将直线 运动转为旋转运动 。在夹具部分中 ,设计桥式机构来放大 压电陶瓷的位移 ,在不通电时 ,夹具能牢牢钳住轴 ,而在通 电时 ,则能放开轴 ,使轴能自由转动 。由于采用步进式的 工作原理 ,该平台可以实现大行程的旋转运动 。