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【走进压电】之【压电促动器】
  压电促动器的命名由它的驱动动力源及其功能相结合而来的。“压电”指的是它的驱动源,即利用PZT压电陶瓷来作为驱动源从而产生运动;而“促动器”则是它的功能,它的移动端可以产生促动的作用,即用来带载物体进行微位移调节。压电促动器是将PZT压电陶瓷进行加载预紧力,并进行金属壳体封装,同时,配备有机械固定安装接口与负载安装接口。
 
  通常情况下,压电促动器自身就可以带动负载进行微位移调节,其运动端的螺纹孔或杆,可直接与负载连接。当然,它也可以驱动机械结构,再由机械结构完成运动调节。
 
  与压电陶瓷叠堆相比,压电促动器有哪些优点?
 
  可承受一定拉力,压电陶瓷不可承受拉力;
 
  可用于动态应用,无预紧力的压电陶瓷不可动态使用;
 
  金属封装保护,操作可靠性更高;
 
  机械接口,安装更方便,无需粘接;
 
  ......
 
  压电促动器的种类
 
  直线压电促动器可根据外径或出力分为多个系列,如VS9、VS10、VS12、VS15、VS20、VS22、VS35、VS45等,VS后面的数字即代表压电促动器的直径,直径越大,出力越高。
 
  而根据压电促动器的驱动电压范围,又可将其分别高压、低压,高压通常为500V或1000V,低压一般为150V;根据其形状,又可分为柱形、环形压电促动器。
 
  而根据是否配置传感器,压电促动器又分为开环(无定位反馈传感器)和闭环(集成定位反馈传感器)版本。开环下,它的分辨率是无限高的,只受控制设备的噪声的限制,但是由于压电陶瓷的迟滞和蠕变特性,使其重复性和稳定性较低。但闭环版本压电促动器,可消除迟滞和蠕变。
 
  直驱机构压电促动器介绍
 
  直驱机构压电促动器又叫封装式压电陶瓷促动器,它非常适于集成到定制型运动设备,提供纳米级分辨率,行程可达260微米,微秒级响应时间,且外形壳体非常紧凑。封装式压电陶瓷促动器集成高可靠性、叠堆式、低压/高压PZT压电陶瓷,外部由柱形不锈钢外壳保护。较高的内部机械预载力可适用于高负载、高动态应用。封装式压电陶瓷促动器可产生的出力达50000N,使其非常适于机床、主动振动绝缘或自适应力学。封装式压电陶瓷促动器的小体积、高谐振频率的特点又使其非常适于扫描显微、激光调谐、光束偏转、膜片钳或干涉移相等应用。
 
  运动效果如下。
 
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  一、基本结构
 
  压电促动器的基本结构如下图所示,它的内部集成PZT压电陶瓷,外部封装金属壳体,上端为移动端,用于安装负载;下端带螺纹底座,用于压电促动器自身的固定安装。
 
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  二、移动端转接方式
 
  压电促动器的移动端可选择多种类型,标准类型包括平头、球头、内螺纹、外螺纹等,也可根据用户的机械接口进行定制。
 
  三、热稳定可选
 
  选择热稳定装置可提高2~3倍功率,实现大行程高频运动。
 
  压电促动器在高频动态使用时,会产生大量的热量,热稳定版本采用高导热金属材料壳体,并可选配散热片,增强热量快速导出能力。
 
  四、产品定制
 
  芯明天可针对用户的应用环境,对压电促动器进行灵活定制,如抗扭力型、带通风孔型、密封型、特殊安装型等。
 
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  五、标品参数
 
  一)柱形压电促动器
 
  柱形压电陶瓷促动器是通过将方形压电陶瓷叠堆封装于内部,外部由柱形不锈钢外壳保护,并通过机械外壳对压电陶瓷叠堆施加预紧力,较高的内部机械预载力可适用于高负载、高动态应用。它可输出压电陶瓷叠堆产生的位移及出力,且可承受一定的拉力。
 
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  1)VS9系列柱形压电促动器
 
  · 200N出力
 
  · 0~150V驱动
 
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  2)VS10系列柱形压电促动器
 
  · 550N出力
 
  · 0~150V驱动
 
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  3)VS12系列柱形压电促动器
 
  · 1200N出力
 
  · 0~150V驱动
 
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  4)VS15系列柱形压电促动器
 
  · 2300N出力
 
  · 0~150V驱动
 
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  5)VS20系列柱形压电促动器
 
  · 4700N出力
 
  · 0~150V驱动
 
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  6)VS25系列柱形压电促动器
 
  · 7300N出力
 
  · 0~150V驱动
 
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  二)环形压电陶瓷促动器
 
  环形压电陶瓷促动器内部是由环形压电陶瓷叠堆驱动,中心具有通孔。底部由螺纹固定,顶端为外螺纹。并且,标准产品配有镜片固定帽,利于镜片的安装,可应用于光学定位系统。
 
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  1)VS22系列环形压电促动器
 
  · 3000N出力
 
  · 0~150V驱动
 
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  2)VS35系列环形压电促动器
 
  · 5300N出力
 
  · 0~150V驱动
 
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  三)壳体外螺纹压电陶瓷促动器
 
  壳体外螺纹压电促动器,是机械封装壳体外带有螺纹的柱形压电促动器,方便与外部机械结构安装固定,主要应用于光束偏转、光路调整、镜片调节架或需要通过外螺纹进行安装的直线、角度运动应用等。为了获得更大的刚度,外螺纹式压电促动器采用了锁紧螺母。
 
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  1)M14壳体外螺纹压电促动器
 
  · 1200N出力
 
  · 0~150V驱动
 
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  2)M22壳体外螺纹压电促动器
 
  · 4700N出力
 
  · 0~150V驱动
 
  四)抗扭力压电陶瓷促动器
 
  抗扭力压电陶瓷促动器,可抵抗在安装负载锁紧加固过程对内部压电陶瓷造成的旋转扭力,从而避免造成压电陶瓷的损坏。VT系列抗扭力促动器的结构紧凑,非常易于集成。特殊的机械结构设计使其在承载、行程、动态及外形尺寸等都进行了优化。它的内部驱动元件为高性能长寿命压电促动器。直径分14mm及17mm等类型,出力可达1200N,位移行程可达95μm。
 
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  1)VT14抗扭力压电促动器
 
  · 1200N出力
 
  · 0~150V驱动
 
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  2)VT17抗扭力压电促动器
 
  · 1200N出力
 
  · 0~150V驱动
 
  五)收缩型压电陶瓷促动器
 
  收缩型压电陶瓷促动器是指在施加电压后可产生收缩运动位移的压电陶瓷促动器。该收缩型压电陶瓷促动器具有纳米级步进分辨率,可提供毫秒甚至亚毫秒的快速响应。
 
  M25系列收缩型压电促动器
 
  · 2000N拉力
 
  · 0~200V驱动
 
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  六、历史定制案例展示
 
  一)定制真空、低温、无磁版
 
  
 
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  二)定制移动端
 
  
 
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  三)定制安装接口/螺纹
 
  
 
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  四)定制电连接裸线
 
  
 
  五)定制镜片安装
 
  
 

  六)定制抗扭力环形压电促动器
 
  
 
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  七)定制特殊环境、功率等
 
  
 
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  七、产品应用
 
  芯明天压电促动器的高精度、大出力以及快速响应的特点使其在机械系统、光学系统中得到广泛应用。
 
  一)超导腔调谐
 
  通过谐振器在轴向拉伸超导腔,改变加速间隙的大小,控制超导腔的频率。通过机械调谐进行频率的粗调后,当超导腔的频率接近所需要的频率时,通过压电陶瓷促动器对频率进行微调。利用的是压电陶瓷促动器的大出力、微位移的特性。
 
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  二)微细电火花加工
 
  采用微细电火花加工微小孔过程中会产生很多碎屑,这会严重影响电火花加工的精准度及加工速度。设备中采用压电促动器,利用其微纳米级位移、高频振动、大出力等特性将加工产生的碎屑进行有效的清除,起到优异的导屑作用。
 
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  三)细胞穿透
 
  细胞的尺寸一般只有几个微米大小,甚至更小。在研究细胞结构或病理实验中,需要将探针准确的送入细胞内部。而压电促动器可做纳米级精确移动,它可带动探针或样品细胞做纳米级微运动,将探针准确的送入细胞内部,又不损伤细胞结构,已被广泛应用于生物科技及生命科学等领域中。
 
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  四)减振抑振
 
  振动是很多机械系统中需要避免或消除的,如航空航天、汽车行业等。在振动监测系统中监测到振动时,通过给压电促动器施加电信号,使压电促动器产生与振动方向相反的位移,从而抵消振动。
 
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  五)硬度测试
 
  封装陶瓷的外径越大,其最大出力越大,外径VS45的封装陶瓷最大出力可达50000N。硬度测试主要是利用压电陶瓷的大出力,对被测物体进行硬度测试。
 
  六)3D端面检测
 
  目前光纤端面检测,常用的方式是光学干涉来进行测量。光学干涉就是根据相干光在空间相遇时,在某些区域始终增强,在某些区域始终减弱,形成稳定的强弱分布。3D干涉仪系统就是根据这个原理设计的。CCD摄像头上可以观察到干涉条纹,芯明天压电促动器用于移动干涉物镜以产生位相移动,CCD摄像头测得的图像经图像卡传送到计算机进行解析处理。就可以得到需要的测量结果。每移动一步后由CCD摄像头读取干涉条纹,根据干涉条纹的分布计算出端面形状。
 
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  八、压电促动器安装操作说明
 
  一)安全指南
 
  压电促动器采用先进的技术和安全标准设计而成,为了您的自身安全及产品的正确使用,使用时请注意以下几点。
 
  温度改变和压力都会给压电促动器充电,与控制器断开连接的一段时间压电促动器也会保持带电状态,所以操作者在使用时要注意:
 
  ·不要擅自拆卸压电促动器;
 
  ·在安装以前给压电促动器进行放电,这个可以通过和控制器连接实现;
 
  ·在操作过程中不要拔出控制器;
 
  ·使用前首先检查本产品的连接线是否完好,产品及控制器是否进行了有效的接地保护,操作过程中应严格规范操作,上电后不要用手触碰产品(最高可达1000V以上电压),以防发生危险。
 
  为了防止不当操作对产品造成损坏,使用时应注意以下几点:
 
  ·压电促动器尽量在无尘、无油、无润滑剂的环境中使用;
 
  ·建议负载不要超过本产品的承载能力,装载时注意扭力不要过大,不要撬或扭转负载面,以免损伤结构;
 
  ·当出现异常情况应该立即关闭相关部分;
 
  ·低压促动器长期使用建议使用电压为0~120V;
 
  ·HPSt500高压促动器长期使用建议使用电压为0~400V;
 
  ·PSt1000和HPSt1000高压促动器长期使用建议使用电压为0~800V;
 
  ·请勿对产品进行拆解,以免造成产品损坏;
 
  ·避免拉伸和弯曲电缆接口,防止对电缆造成损坏;
 
  ·使用我公司提供的专用电缆连接压电促动器和控制器;
 
  ·不能随便使用电缆延长线,如需要更长电缆请联系我司销售人员。
 
  二)安装与注意事项
 
  安装前首先要进行安全检查,如连接线有无破损、断线,驱动电源有无接地保护等。
 
  压电促动器安装步骤如下:
 
  1)固定安装前先清洁安装平面;
 
  2)连接负载,要求负载不要超过运动台所能承受的最大负载,注意安装时用扳手夹住夹持面,请参照样册上的每个产品的尺寸选择合适的连接形式;安装负载前,请先用钳子夹住豁口,再进行负载的安装,防止移动端旋转对内部压电陶瓷造成扭力,破坏内部压电陶瓷。
 
  3)将封装陶瓷安装在测量平台上或通过光学平台转接座固定安装在测量平面上,请根据结构尺寸图选择合适螺栓进行固定安装,注意安装时用扳手夹住夹持平面,这样可以避免安装时产生扭矩,避免对陶瓷造成损害;
 
  4)将产品连接线与控制器连接起来;
 
  5)如有不清楚的地方请联系我们。
 
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安装示意图
 
  为了防止促动器在使用过程中损坏,需要注意以下几点:
 
  ·不要使用超过参数表规定的电压范围来驱动压电驱动器。
 
  ·不要跌落压电陶瓷、避免任何形式的机械撞击。
 
  ·有预紧力的压电促动器可以承受一定拉力(并不是压电促动器收缩产生),但是不能承受剪切力、扭矩和弯矩。这些情况可能会对促动器内部的压电陶瓷产生损坏。可以通过球头或者适当的导向机构去除剪切、扭矩和弯矩。
 
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避免受到剪切力和扭矩
 
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避免受到弯矩
 
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球头或者柔性铰链避免剪切力、扭矩和弯矩
 
  注:抗扭矩压电促动器可承受一定扭矩。
 
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