魏小華, 鄭凌晨,2

(1. 衢州職業(yè)技術學院 機電工程學院,浙江 衢州 324000;2. 浙江理工大學 機械與自動控制學院,浙江 杭州 310018)

1 引 言

在近代的精密科技中,壓電技術和電磁技術常被使用于納米級的高精度定位裝置中,以達到驅(qū)動的目的。電磁式致動器出力大、速度快,且可驅(qū)動的位移量可達到毫米量級,遠大于壓電致動器;但使用時由于溫度飄移的關系,使電流不易控制,而且位移分辨率比壓電致動器低的多。壓電技術相較于電磁技術,具有無電磁效應的優(yōu)點,可以使用在對電磁波干擾敏感的醫(yī)療環(huán)境,且易于小型化,當尺寸較小時,其輸出力與效率相對較高。

以壓電技術構成的精密定位裝置,一般是使用具有電容特性的壓電元件來做為能量轉(zhuǎn)換單元。當此電容器被施以電壓,進行充電和放電時,會產(chǎn)生變形,且施加于壓電元件的電壓量與壓電元件所產(chǎn)生的變形量幾乎形成正比關系,利用壓電元件所產(chǎn)生的變形量約可達到其長度的1‰。經(jīng)過巧妙設計后的壓電致動器可達到數(shù)微米的行程長度,這種同時具有高剛性與納米尺度特性的壓電致動器[1],對于納米級需求的近代精密工程而言是非常必要的工具,在許多實際應用中期望致動器具備更長的驅(qū)動行程。

Bonard J M等[2]設計出一種新型致動器,用來協(xié)助掃描式電子顯微鏡(SEM)的樣本定位,壓電元件負責致動器的位移,其步進分辨率可達 7.0 μm,速度最高為1.16 mm/s;但由于線圈產(chǎn)生的磁場會干擾SEM的電子束產(chǎn)生偏移,從而影響分辨率。Wu Y等[3]研發(fā)出一種3個自由度的致動器,該致動器的步進位移分辨率可達0.44 μm,角度分辨率約為1.3×10-6rad。Nakajima M等[4]利用撓性件設計出的致動器,使用一個壓電元件可達到3個自由度的位移,該設計減輕了致動器的重量,X方向的分辨率約為11.6 μm。Chen C等[5]使用6個壓電元件、3個線圈,設計出Stewart平臺,它具有6個自由度的致動器,在XYθ方向最高分辨率可達0.2 μm,0.2 μm,1.0×10-5rad;此設計缺點為結構復雜、使用多個壓電元件,不利于控制。黃然[6]制作了預加載壓電懸臂梁致動器的試驗樣機,并搭建測試系統(tǒng)實現(xiàn)預緊量的精確控制,以懸臂梁導引可動件產(chǎn)生直線位移,此致動器全行程為0.17 mm,分辨率達10 μm,出力最大可達20 mN。焦振瑞[7]針對精密機械以及精密加工等領域需要納米級的定位精度,開發(fā)出由3組2自由度高精度測量模組組成的6自由度壓電微動平臺。

通過結構和磁回路設計,利用摩擦力來控制致動器的位移方向及位移量,稱為尺蠖式位移致動器。以尺蠖式致動原理設計的致動器,結合多個致動組件,使致動器具有平移、旋轉(zhuǎn)多自由度且全行程理論上可達到無限長,但多個致動組件也會造成不易控制以及體積的增加。在位移分辨率方面,基于電磁輔助壓電致動器具有明顯的優(yōu)勢,最高位移分辨率約為1.7 μm。由于尺蠖式致動器的出力大小取決于線圈吸附于磁性材料上所產(chǎn)生的摩擦力大小;而本研究所設計的致動器則是直接以線圈產(chǎn)生的電磁力來驅(qū)動可動件,故在相同的電磁力作用下可以產(chǎn)生較大的推力。此外,由于動、靜摩擦力能夠迅速地轉(zhuǎn)換,使得該致動器較線圈致動器具有更大的夾持力并且能夠快速地靜止下來。因此,設計開發(fā)了一種電磁輔助壓電致動器,融合電磁式與壓電式這兩種致動器的優(yōu)點,使得該致動器具有出力大、速度快、分辨率高及毫米級的可驅(qū)動位移量。該致動器以電磁線圈產(chǎn)生的電磁力來驅(qū)動可動件,搭配壓電元件的使用,利用動摩擦與靜摩擦力間的轉(zhuǎn)換以及改變線圈電流方向,完成長行程、往復運動的要求,適用于高精度定位。

2 致動器原理

2.1 致動器設計

電磁輔助壓電致動器結構包含一個可動件(鋼柱)、2個線圈、安裝在可動件兩端的永磁鐵、壓電元件及用來調(diào)整預壓的撓性件,以及一個“V”形凹槽的基座,該基座作為鋼柱的引導槽,使可動件做往復運動。此外,為避免鋼柱在活動時發(fā)生旋轉(zhuǎn)而影響到致動器的精度,將鋼柱設計成類似半圓形的圓柱。致動器整體結構如圖1所示。

圖1 致動器結構圖Fig.1 Structure of the actuator

壓電元件安裝在基座的側(cè)邊,將壓電元件通以弦波形式的電壓信號,使壓電元件產(chǎn)生伸長及縮短的往復運動,并將能量傳遞給基座。隨著弦波頻率增大,當頻率達到系統(tǒng)的共振頻率時,鋼柱與基座間會發(fā)生相對滑動的趨勢,此時鋼柱與基座間的接觸摩擦力即由最大靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ亮?。若將線圈通以電流而產(chǎn)生磁力,且線圈與永久磁鐵間的吸力及推力大于鋼柱與基座間的動摩擦力時,則鋼柱與基座也會發(fā)生相對滑動。

基于上述原理,首先通過調(diào)整線圈的電流大小,使線圈與永磁鐵間的推力及吸力大小介于鋼柱與基座接觸面上最大靜摩擦力與動摩擦力之間,并利用開關電路(如圖2)控制壓電元件的震動來切換接觸面的狀態(tài),達到開關的效果,此時得到的弦波信號為非連續(xù)的信號如圖3所示。當開關為開時,電壓信號為弦波信號,則鋼柱與基座間的摩擦力為動摩擦力,此時可動件產(chǎn)生與推力及吸力方向平行的位移;當開關為關時,電壓信號為直流,則鋼柱與基座間的摩擦力為靜摩擦力,此時可動件的摩擦阻力等于線圈所產(chǎn)生的推力及吸力,因而不會發(fā)生運動。

圖2 開關電路控制圖Fig.2 Control diagram of switching circuit

圖3 非連續(xù)電壓信號示意圖Fig.3 Non-continuous voltage signal schematic drawing

2.2 系統(tǒng)設計

由LabVIEW發(fā)出信號,經(jīng)由PCIe-6259數(shù)據(jù)采集卡輸入MCS-51單片機,使MCS-51輸出相對應的方波信號來控制開關電路,利用激光位移傳感器來測量致動器的位移量,并將測量到的位移信號轉(zhuǎn)換為電壓信號回傳到計算機中,并記錄測量數(shù)據(jù)。實驗測量流程如圖4所示。

圖4 實驗測量流程圖Fig.4 Flow chart of experimental measurement

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集(DAQ)是使用計算機測量如電壓、電流、溫度、壓力或聲音等模擬信號,再將此模擬信號執(zhí)行量化與編碼轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號,此動作稱為A/D轉(zhuǎn)換,再由計算機讀入做進一步的分析。一般為了使模擬信號能夠精確地還原,就必須盡可能地提高取樣率。實驗所使用的數(shù)據(jù)采集設備為NI公司生產(chǎn)的M系列多功能數(shù)據(jù)采集卡PCIe-6259,此卡包括NI-STC2系統(tǒng)控制器、NI-PGIA2放大器及NI-Mcal校準技術,在高速取樣率下仍能保持較好的穩(wěn)定性,擁有相當優(yōu)異的數(shù)據(jù)采集能力。

2.2.2 激光位移傳感器

實驗所使用的位移傳感器為非接觸式的激光位移傳感器即MTI激光位移傳感器(DTS-025-10),響應頻率高達20 kHz,線性度約為±0.03%,分辨率高達0.038 μm,對被測表面沒有要求。此傳感器的特點為高傳輸速度、高精度并且不受測量物體表面不平整影響,采用三角測量技術來進行位移、距離、振動及厚度檢測。

3 實驗分析

通過如下實驗來測試所設計的電磁輔助壓電致動器的特性:調(diào)整輸入方波的頻率和脈沖寬度測試、速度測試、定位控制測試、共振頻率測試及拉力測試。實驗中所需調(diào)整的參數(shù)為方波的頻率以及方波低電位寬度,2種工作模式如表1所示。

表1 兩種工作模式Tab.1 Two working modes

首先利用LabVIEW結合MCS-51發(fā)出方波信號到開關電路中,再由開關電路送出的非連續(xù)電壓信號來控制致動器的位移,接著利用激光位移傳感器測量致動器的位移量,并將位移信號回傳到計算機中。測試流程如圖5所示。

圖5 測試流程圖Fig.5 Flow chart of test

3.1 調(diào)整輸入方波的頻率、脈沖寬度測試

由MCS-51輸入一方波信號控制開關電路,使致動器達到步進的效果。實驗中通入兩線圈內(nèi)的電流設置為0.5 A,調(diào)整方波脈沖寬度為500 μs、方波頻率為3.32 Hz(高分辨率步進),實驗數(shù)據(jù)及圓圈處的局部放大如圖6所示。當方波為低電位時,開關電路輸出為弦波信號,致動器開始產(chǎn)生位移;而方波為高電位時,開關電路輸出轉(zhuǎn)為直流信號,由于慣性作用致使致動器持續(xù)動作一段距離后才靜止下來。通過實驗結果分析可知,此模式下致動器步進分辨率約為1.5 μm。

圖6 實驗數(shù)據(jù)及局部放大圖(方波頻率3.32 Hz、脈沖寬度500 μs)Fig.6 Experimental data and local amplification (square wave frequency 3.22 Hz, pulse width 500 μs)

將線圈內(nèi)電流設置為0.5 A,MCS-51輸出方波頻率調(diào)整為3.22 Hz、方波脈沖寬度為10 000 μs(快速步進),此模式下開關電路輸出為弦波信號的時間加長,致動器單步的位移量也會隨之增加,實驗數(shù)據(jù)及圓圈處的局部放大如圖7所示。當方波為低電位時,開關電路輸出為弦波信號,致動器開始產(chǎn)生位移;而方波為高電位,開關電路輸出轉(zhuǎn)為直流信號時,由于慣性作用致動器會持續(xù)動作一段距離后才靜止下來。通過實驗分析可知,此模式下致動器步進分辨率約為30 μm。

圖7 實驗數(shù)據(jù)及局部放大圖(方波頻率3.22 Hz、脈沖寬度10 000 μs)Fig.7 Experimental data and local amplification (square wave frequency 3.22 Hz, pulse width 10 000 μs)

當提高方波頻率至10 Hz、方波脈沖寬度為 33 000 μs 時,所得的實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過局部放大后如圖8所示。對照方波信號圖,當方波為低電位、開關電路輸出為弦波信號時,致動器產(chǎn)生明顯的位移;方波轉(zhuǎn)為高電位、開關電路輸出轉(zhuǎn)為直流信號時,致動器按預期目標靜止下來。此現(xiàn)象不受控制,故在選擇方波頻率以及方波脈沖寬度時,必需避免超過臨界值而產(chǎn)生不可控制的現(xiàn)象。

圖8 局部放大圖(方波頻率10Hz、脈沖寬度33 000 μs)Fig.8 Local amplification (square wave frequency 10 Hz, pulse width 33 000 μs)

3.2 速度測試

實驗設定致動器初始位置于0 mm處,啟動致動器后,由MTI激光位移傳感器測量致動器位移量并將數(shù)據(jù)傳回到計算機中,再將時間間隔50 s內(nèi)所測量到的位移量換算為致動器位移速度。通過分析實驗結果可知,當致動器工作在快速步進模式時,致動器擁有較高的位移速度118.55 μm/s;工作在高分辨率步進模式時,致動器位移速度為5.58 μm/s。

3.3 定位控制測試

為測試致動器的定位性能,將致動器初始位置從0 μm處移動到3 000 μm處,致動器在完成定位的過程被設計為3個階段,如表2所示。

表2 定位的過程設計Tab.2 Process design of positioning

階段a(快速沖刺)致動器位于2 300 μm之前,此時控制MCS-51輸出為0,使開關電路的輸出為連續(xù)弦波信號,致動器在這個過程以連續(xù)位移的方式運行。當致動器到達2 300 μm位置時進入階段b(快速步進),MCS-51輸出為M2信號,此過程致動器由連續(xù)位移轉(zhuǎn)換為以大步長步進的方式前進。致動器到達2 850 μm位置時,MCS-51輸出為M1信號,致動器在階段c(高分辨率步進)由大步長轉(zhuǎn)換為小步長模式前進到達預設的目標。

此外,當致動器到達預設目標時,以兩種不同的方法來控制致動器定位在3 000 μm處:方法1為固定MCS-51輸出M1的方波,控制線圈內(nèi)電流方向使致動器在目標點處徘徊,如圖9所示;方法2為固定MCS-51輸出-5 V的直流信號,系統(tǒng)不產(chǎn)生共振,線圈內(nèi)電流值為0,此時致動器在目標點處靜止,如圖10所示。

圖9 方法1定位實驗Fig.9 Location experiment of the first method

圖10 方法2定位實驗Fig.10 Location experiment of the second method

由圖9可發(fā)現(xiàn),以方法1定位上升時間約為5.7 s。圖11為方法1位移模式轉(zhuǎn)換的放大圖,當MCS-51輸出由0轉(zhuǎn)換為M2時,在慣性作用下,致動器會滑行一段距離至2 600 μm才以大步長的模式步進前進,如圖11(a)所示;當MCS-51輸出由M2轉(zhuǎn)換為M1時,同樣在慣性作用下,致動器在到達 2 990 μm 時會滑行一段距離到2 993 μm才以小步長的模式前進到預設的目標,如圖11(b)所示。圖12為方法1定位實驗穩(wěn)定后曲線,致動器在 3 000 μm 處徘徊,此時分辨率約為0.84 μm。

圖11 方法1模式轉(zhuǎn)換Fig.11 Pattern transformation of the first method

圖12 方法1定位實驗穩(wěn)定后曲線Fig.12 Steady state curve of location experiment of the first method

由方法2定位實驗(圖10)得知,方法2定位上升時間約為4.3 s。圖13為方法2位移模式轉(zhuǎn)換的放大圖,當MCS-51輸出由0轉(zhuǎn)換為M2時,由于慣性的作用,致動器會滑行一段距離至2 810 μm才以大步長的模式步進前進,如圖13(a)所示;當MCS-51輸出由M2轉(zhuǎn)換為M1時,同樣由于慣性作用,致動器在到達2 965 μm時會滑行一段距離到2 978 μm才以小步長的模式前進到設定的目標,如圖13(b)所示。

圖13 方法2模式轉(zhuǎn)換Fig.13 Pattern transformation of the second method

圖14為方法2定位實驗穩(wěn)定后曲線圖,致動器到達(3 000±1)μm時靜止下來,由于所使用的激光位移傳感器輸出的位移信號包含背景噪聲[8,9],故所得的實驗數(shù)據(jù)在達到穩(wěn)定時并非固定在 3 000 μm 處。經(jīng)數(shù)據(jù)分析可知背景噪聲值約為 0.2 μm,背景噪聲消除后,致動器位移曲線如圖15所示。

圖14 方法2定位實驗穩(wěn)定后曲線Fig.14 Steady state curve of location experiment of the second method

圖15 除去背景噪聲后的致動器位移曲線Fig.15 The actuator displacement curve after removing background noise of laser displacement sensor

3.4 共振頻率測試

壓電元件的信號頻率會影響到致動器的位移速度,當頻率接近系統(tǒng)固有頻率時,整個系統(tǒng)發(fā)生共振[10,11],致動器的移動速度會達到最大值,因此為使致動器擁有較高的移動速度,必須獲取該系統(tǒng)的共振頻率。實驗預設MCS-51輸出為M2的方波,再將輸入開關電路的弦波信號由47 kHz逐漸增加至51 kHz,利用激光位移傳感器測量致動器位移量,最終獲得移動速度。共振曲線如圖16所示,該致動器的共振頻率約為49 kHz,在此頻率下工作時,接觸面上靜摩擦力與動摩擦力[12]的轉(zhuǎn)換最為顯著。因此,在測量致動器速度及出力大小等特性時,信號頻率都應固定在49 kHz處。

圖16 共振曲線Fig.16 Resonance curve

3.5 拉力測試

致動器通過線拉動一固定住的懸臂梁使其產(chǎn)生撓曲,再由激光位移傳感器測量懸臂梁的變形量。經(jīng)實驗分析可知,在高分辨率步進模式下,致動器的拉力值約為12.8 mN;而在快速步進模式下,致動器的拉力值約為16.5 mN。

4 結 論

基于動、靜摩擦力間的轉(zhuǎn)換,本文開發(fā)出一種單自由度的電磁輔助壓電致動器,運用高精度的測量、數(shù)據(jù)采集設備,通過實驗成功測試了它的工作性能。根據(jù)實驗測量的結果,該致動器具備10 mm的長行程(MTI傳感器DTS-025-10最大量程)及微米級的步進分辨率。在快速步進模式下,致動器步進分辨率為30 μm,速度達118.55 μm/s;在高分辨率步進模式下,致動器步進分辨率為1.5 μm,速度達 5.58 μm/s,兼具運動精準度與穩(wěn)定性。