Cymbal型復(fù)合壓電作動(dòng)器微進(jìn)給技術(shù)研究

摘要：針對(duì)普通壓電作動(dòng)器行程較短的缺點(diǎn)，提出一種具有Cymbal結(jié)構(gòu)的復(fù)合壓電陶瓷作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)將壓電陶瓷微小的徑向位移放大，轉(zhuǎn)換成軸向位移，擴(kuò)大了作動(dòng)器的行程。在作動(dòng)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一方面在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入了高精度的位移傳感器閉環(huán)反饋系統(tǒng)，另一方面通過(guò)對(duì)作動(dòng)器的輸出進(jìn)行軟件補(bǔ)償?shù)姆椒?，消除了Cymbal型復(fù)合壓電作動(dòng)器自身存在的輸出磁滯性和非線(xiàn)性的缺點(diǎn)，大幅度提高了系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)控制特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)作動(dòng)器的高精度控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效。 

關(guān)鍵詞：壓電作動(dòng)器 微進(jìn)給 控制系統(tǒng) 行程 智能傳感器

引言

　　壓電陶瓷作動(dòng)器是一種利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)制作的微位移器件。它具有體積小、重量輕、精度和分辨率高等許多優(yōu)點(diǎn)，但由于其行程較短，因而限制了其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用。具有Cymbal結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷作動(dòng)器可以將壓電作動(dòng)器的徑向形變放大幾十倍，并將其累加到軸向變形上，因而使其具有更大的位移輸出。因此，具有Cymbal結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷作動(dòng)器在諸如光學(xué)、電子等需要小推力和大行程的領(lǐng)域，有著廣泛的應(yīng)用前景。

1 Cymbal型復(fù)合壓電作動(dòng)器

　　1.1Cymbal復(fù)合壓電振子

　　Cymbal型復(fù)合壓電振子是由兩只薄鐃鈸形金屬薄殼夾持一枚厚度方向極化的壓電陶瓷圓片所組成，如圖1所示。整個(gè)壓電作動(dòng)器是由多個(gè)復(fù)合壓電振子結(jié)構(gòu)上串聯(lián)粘接而成的。金屬薄殼的作用是將壓電陶瓷圓片的小徑向伸縮變換為金屬薄殼腔體的彎曲變形。因此，在相同電壓下，相同片數(shù)的具有Cymbal結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷作動(dòng)器能夠比普通的堆疊式壓電陶瓷作動(dòng)器產(chǎn)生更大的位移輸出。

　　　　　　 
　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1Cymbal復(fù)合壓電振子

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)工程物理研究院聯(lián)合基金資助項(xiàng)目，基金項(xiàng)目編號(hào)10376043。

　　如圖1所示，鐃鈸環(huán)形邊緣與壓電振子粘在一起，構(gòu)成金屬陶瓷復(fù)合環(huán)片。其中h0 ，h1和h2 分別為壓電振子、金屬薄殼和強(qiáng)力膠的厚度。圖1中的壓電振子是沿Z軸方向（即縱向）極化的，其半徑為R0；鐃鈸底部呈圓環(huán)片形狀，其外徑為R0，內(nèi)徑為R1，空腔高度為H (HR1)。

　　1.2Cymbal結(jié)構(gòu)的放大作用

　　從圖1可以看出,鐃鈸結(jié)構(gòu)近似為一平頂錐臺(tái)。在壓電振子發(fā)生徑向形變時(shí)，平頂錐臺(tái)頂半徑R2不變；由于強(qiáng)力膠的作用，鐃鈸環(huán)形邊緣不變，即在形變時(shí)只有鐃鈸內(nèi)徑R1和空腔高度H發(fā)生變化。這里不妨假設(shè)Cymbal薄殼變形前后的表面積相等，則有：

　　　　　　 

　　式中ΔH是單個(gè)鐃鈸的軸向變化量；ΔR為金屬－陶瓷復(fù)合圓片的徑向位移。忽略式中的高次因子ΔR2和ΔH 2，可得：

　　　　　　　　　　

　　由于每個(gè)壓電復(fù)合振子有兩個(gè)鐃拔結(jié)構(gòu)，因此上述關(guān)系應(yīng)乘以2。

　　鑒于國(guó)內(nèi)的實(shí)際供貨情況，筆者選用厚度方向上極化的PZT5A型壓電陶瓷圓片制作Cymbal型復(fù)合壓電振子。壓電振子的參數(shù)為：彈性柔順常數(shù)sE11=16.4