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压电粘滑驱动原理及其在压电马达平台中的应用

粘滑驱动是以摩擦理论为基础的典型驱动方式。摩擦力是一种基本的耗散力,存在于所有相对滑动的机器和结构中,在以往对粘滑机理的研究仅仅是停留在如何避免其在精密伺服系统中由于摩擦存在而引起的失稳和损耗。由于压电材料的出现和良好的响应特性,才把粘滑原理应用到驱动工作当中。粘滑驱动的机理本质是利用最大静摩擦力和滑动摩擦力之间的差异控制被驱动物体产生位移。

基于压电陶瓷的粘滑驱动方式是利用PZT压电陶瓷快速形变产生的加速度,即惯性冲击,使得动摩擦力无法提供运动物体的加速度,从而保持在原来位置,接着控制PZT压电陶瓷以较小的速度返回,从而实现静摩擦力带动物体运动来实现微位移,因此也被称为惯性粘滑驱动。

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1粘滑驱动原理

如图1所示。该原理的工作过程可以分为三个阶段:初始阶段,在没有驱动电压信号的情况下,压电陶瓷和被驱动的滑块保持静止;第二阶段,随着一个缓慢上升的电信号的到来,压电陶瓷和滑块共同运动,即粘滞阶段,此时静摩擦力作为驱动力,二者“粘"在一起运动;第三阶段,电压信号急速下降,压电陶瓷由于其良好的响应特性,立即发生了快速的收缩,由于惯性力的存在,即摩擦力无法提供大的加速度动力,滑块不会及时随压电陶瓷同步运动,滑块与压电陶瓷产生相对滑动,保持原来位置,即滑动阶段。重复这个周期将使滑块连续向前运动,对于反向运动,使用反向驱动电压模式即可。

粘滑驱动实质上就是以摩擦力为驱动源,达到被驱动体的微小移动。利用粘滑效应的压电精密运动机构,依靠锯齿形电压激励下压电陶瓷运动造成的动静摩擦力之差异致动,可以工作在步进运动和静态扫描两种模式下,且快速运动模式下可以忽略压电陶瓷的非线性影响。粘滑驱动原理实现方便、控制简单,具有运动范围大、分辨率高、结构简单、易于微小和精确定位等优点。结合压电陶瓷特殊的性能,许多基于该原理的驱动器都得以应用。

其中最常见的就是直线运动和旋转运动的应用。

 

一、应用于直线压电马达

粘滑式直线压电马达一般由轴承轨道运动面(即移动部分)、摩擦触点、一端固定的压电陶瓷促动器组成。压电陶瓷随着驱动电压升高而伸长,由于运动面与接触点的摩擦力,运动面会随着压电陶瓷一起运动。当压电陶瓷到最大形变量时,施加快速降低的电压使压电陶瓷快速回缩到初始状态。由于惯性,运动面保持静止,而压电陶瓷回复到了初始状态,如此往复压电马达就可实现连续的直线运动。

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芯明天直线压电马达采用了压电式粘滑原理,下面为几款产品的简单参数。

N56系列直线压电马达


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基本参数

直线行程:102030mm

运动速度:5mm/s

承载能力:0.5kg

保持力:4.5N

 

N31 系列直线压电马达

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基本参数

直线行程:2550100mm

运动速度:10mm/s

承载能力:5kg

保持力:40N

分辨率:<0.1nm

可选光栅传感器闭环

 

二、应用于压电螺钉(旋转) 

压电粘滑驱动电机也可以通过配置产生旋转运动。虽然压电粘滑驱动电机不能直接产生旋转运动,但它可以通过驱动非常细的螺距螺钉产生旋转。在这种设计中,压电陶瓷执行器两端的钳口与螺钉接触,在两侧夹住螺杆,相距180°啮合。当压电陶瓷执行器快速膨胀和收缩时,钳口会转动螺钉,从而实现旋转运动。

 

3 压电螺钉原理

 

芯明天直线压电螺钉采用了该原理,基本参数如下。

 

N81系列压电螺钉

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基本参数

直线行程:81326mm

运动速度:3mm/min

直线运动负载力:30N

直线最小步长:<20nm

 

T25N81K8压电镜片调节架

T25N81K8压电镜片调节架是基于两支直线压电螺钉的驱动,两轴间有共同的轴心点。

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基本参数

调节范围:±5°

调节自由度:θx、θy

卡装直径:25.4mm

灵敏度:0.7μrad

 


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