摘 要: 根据神光Ⅱ高功率激光装置的具体工程需求,设计了一种以层叠式压电陶瓷为驱动元件的新型压电步进驱动器。驱动器利用杠杆机构实现箝位机构和进给机构交替箝位动子,通过对压电陶瓷小步距的位移连续累加的步进方式,实现大行程直线位移;具有控制简单、行程大、分辨力高及断电箝位的特点。样机试验结果表明,驱动器的运动分辨力达到nm级,步距分辨力达到50 nm,行程21 mm。
在神光Ⅱ高功率激光装置中,为消除幅度调制效应,采用可调法布里-珀罗(F-P)滤波器对幅度调制效应进行补偿[1],要求行程5 mm,调节精度nm量级,并能够快速响应反馈控制信号的微位移驱动装置;为获得PW激光系统需要的大口径高破坏阈值光栅压缩器,采用光栅拼接技术[2],需要调节行程在mm量级,定位精度保持在几十nm,并能保持自锁的微位移驱动装置;同时,升级装置的终端光学组件中,靶镜需要沿光轴线性扫描,移动范围要达到15 mm以上,对其精度要求达到μm或nm量级;此外升级装置中注入透镜的调整也需要大行程、高精度的驱动装置。因此,神光Ⅱ高功率激光装置需要大行程、高精度、动态响应好、并能实现自锁的微位移驱动器。传统的机械传动式位移机构,如螺旋机构、杠杆机构等,由于存在着间隙、传动误差、摩擦损耗以及爬行现象等,其运动分辨力、精度很难达到μm或nm量级。压电陶瓷具有响应快、输出负载大、位移分辨力高、控制特性好、不受磁场影响等优点,是目前较理想的微位移驱动元件。采用压电陶瓷直接驱动,其运动分辨力、精度可以达到要求,但其行程有限,虽然结合宏动结构能满足实验要求[3-4],但其存在系统复杂、结构累赘、断电不箝位的缺点。为了扩展压电陶瓷工作行程,同时保持高的分辨力,国内外研究人员已先后开发了基于压电陶瓷的系列驱动器。其中,压电惯性驱动器适合高分辨力、大行程、推力小的工作场合,并且抗干扰能力差[5];压电超声波驱动器,在低速运行状态下,难以控制[6];尺蠖型压电驱动器存在断电不箝位、控制复杂的缺点[7-8]。上述压电驱动器方案虽然能有效地缓解大行程和高辨力之间的矛盾,但都存在一定的局限性。
本文提出一种以压电陶瓷元件为驱动元件,利用杠杆原理实现箝位机构和进给机构交替箝位动子,通过对压电陶瓷小步距位移的连续累加,形成所需大行程的新型压电步进驱动器。
1 压电步进驱动器的原理及设计
1.1 工作原理
结构示意图及驱动原理如图1所示。压电步进驱动器主要由动子、导轨、箝位机构、进给机构以及机架组成。为了得到平稳的1维直线位移,选用具有大的离轴刚度和低摩擦特点的精密交叉滚柱导轨,实现对动子的导向功能[9]。箝位机构主要由杠杆机构、对称的前后箝位块、箝位压电陶瓷、中箝位块以及预紧机构组成。前后箝位块一端通过杠杆机构与中箝位块连接,另一端与机架连接;并在前后箝位块下部对称地安装有箝位压电陶瓷;中箝位块与进给机构连接在一起。预紧机构主要由前后箝位块和中箝位块下面的柔性铰链和调整螺钉构成。进给机构主要由进给压电陶瓷及相应的位移导向机构组成。
初始状态下,在预紧机构的作用下,进给机构箝紧动子,保证动子的断电箝位;欲使动子向前即A向运动,箝位压电陶瓷收缩,前后箝位块松位动子,在预紧机构及杠杆机构作用下,中箝位块推动进给机构箝位动子;进给压电陶瓷伸长,在进给机构与动子摩擦力作用下,动子向右产生步距为d的位移;箝位压电陶瓷伸长,前后箝位块箝位动子,在杠杆作用下,进给机构同时松位动子;进给压电陶瓷收缩,进给机构回复初始状态。这样向前步进了一步,完成了一个动作循环。重复上述步骤,则压电步进驱动器可以继续前向运动。同理可以实现反向运动。
当动子被进给机构箝位,并假设箝位力足够大,动子与进给机构间不产生相对位移,则动子在压电陶瓷带电伸长作用下发生伸长运动或在柔性铰链弹性回复力作用下发生收缩运动,此时系统的动力学模型简化为弹簧-阻尼系统,如图2所示。按此模型建立的系统动力学方程为
式中:m为动子与进给机构的集中质量;k为柔性铰链的等效刚度系数;c为系统等效阻尼系数;y为动子的伸长位移;f为动子受到的合外力;FN为压电陶瓷的推力。
同时由于f主要是动子以静摩擦力的形式施加给进给机构,有以下关系
式中:N为箝位机构施加给直线动子的正压力;μ0为进给机构箝位面与动子间静摩擦系数。
由式(2)可知,要增加驱动力,需要增大箝位正压力N或增大进给机构箝位面与动子间静摩擦系数μ0。机械系统的动力学参数(刚度、阻尼、质量)是确定的,则在一定的驱动电压作用下,压电陶瓷的伸长量也确定,即动子单步输出的位移即步距分辨力也确定,因此可以实现稳定的步进运动。
1.2 关键结构设计和分析
根据上述原理,可以知道实现步进运动3个条件为:箝位、进给、以及箝位和进给的时序关系,即二者的协调配合过程。为保证压电步进驱动器运动的高精度,避免传动环节产生的误差,压电步进驱动器主要采用柔性结构。柔性结构主要靠构件自身的柔性(弹性变形)来实现运动,具有免装配、无间隙和无摩擦的特点,可以实现μm或nm量级精度的运动。采用柔性铰链作为运动副,柔性铰链刚度设计要保证对应的导向机构在达到所需最大位移时,内部弯曲应力小于材料的弹性极限;同时为了有高的动态响应能力和较好的抗干扰能力,应提高系统的固有频率,即刚度应尽可能大[10-11]。
1.2.1 箝位机构
箝位机构主体采用对称设计,如图3所示,两箝位压电陶瓷作为微驱动元件安装在前后对称的箝位柔性铰链内并驱动其输出微位移与驱动力,这样,有利于消减材料应力和结构受力变形对压电步进驱动器位移输出的影响;同时,加大了对动子的箝位力,增强了运行的平稳性。前后箝位体底端还设计有箝位压电陶瓷预紧调整装置,安装细螺纹自锁螺钉对压电陶瓷进行预紧。中间箝位块通过杠杆与前后箝位块连接,并且在双平行四杆机构的导向下实现进给机构对动子的垂直箝位运动;中箝位体块下端的预紧机构由碟形弹簧和细螺纹自锁螺钉构成。通过对上述3个螺钉的精细调整,实现对箝位压电陶瓷有效的预紧和箝位面与动子间的合间隙的调整。
1.2.2 进给机构
进给机构如图4所示,选用基于双平行四杆的柔性铰链机构,该机构沿平动杆中心对称,耦合位移依靠铰链的拉伸而消除,具有良好的运动特性和导向精度,而且可以在一定程度上提高抗外界干扰的能力[12]。
1.2.3 主要结构的模态分析
由于压电陶瓷的固有频率以及电路处理的频率均较高,因此,压电步进驱动器的动态特性主要取决于由柔性铰链组成的柔性机构的固有频率,对其进行仿真分析,对压电步进驱动器的设计具有指导作用。
图5和图6分别为通过有限元仿真方法得到的箝位机构和进给机构的第一阶振动模态和对应的自然频率。可以看到,第一阶振动模态是所要求的箝位运动和进给运动模态,并且自然频率均高于1 kHz,能够满足动态响应要求。在较低频率区段,箝位机构和进给机构在相应的压电陶瓷作用下进行强迫振动,相当于静态响应,驱动器处于稳定工作状态。
1.2.4 控制信号
压电步进驱动器只需要两路控制信号,分别实现对箝位压电陶瓷和进给压电陶瓷的控制,与尺蠖型压电驱动器需要三路控制信号相比,可以简化系统和降低成本。两路驱动信号的驱动波形和相位关系如图7所示,一路为箝位压电陶瓷通电信号,是梯形信号,消除电源信号的上升沿和下降沿由于突变而产生的冲击噪声,并且对压电驱动元件起到保护作用,提高压电陶瓷的使用寿命;一路为进给压电陶瓷通电信号,是正弦信号,减小驱动压电陶瓷对动子的冲击,提高运动的平稳性。在控制系统回路中,由于压电陶瓷为电容性器件,为使其具有快速伸缩的性能特点,必须针对压电陶瓷设计出高频完全放电回路,使压电陶瓷在断电时其内部存储的电荷快速释放[13]。
2 样机及驱动器试验运动输出特性
由于压电步进驱动器的工作要求其箝位和驱动的压电陶瓷具有大输出力和输出位移,所以本文选择层叠式压电陶瓷作为压电步进驱动器的驱动元件。层叠式压电陶瓷,由多个薄片陶瓷粘接而成,电路上并联,机械上串联。具有稳定性好、响应迅速、定位精确、机械能-电能转化率高、驱动力大等优点,非常适于作为精密驱动器的动力转换元件。
选用PI公司的D-100型的电容位移传感器,实时监测驱动器位移输出情况;箝位压电陶瓷选用PI公司的P-885.91;进给压电陶瓷选用哈尔滨芯明天科技公司的MTp200/3.5*3.5/8;实验测试在25℃环境下,将样机固定于隔振实验台上,从驱动器的位移输出、步距分辨力等方面进行了实验测试。
图8为进给压电陶瓷电压90 V,驱动频率2 Hz,压电步进驱动器位移输出曲线。图8(a)中该压电步进驱动器前向步距平均为0.892μm,图8(b)中后向步距平均为0.653μm。从图8可以看到,该压电步进驱动器能较好地实现步进运动;在动子步距进给中,存在明显的振荡,这主要是由箝位机构和进给机构交替箝位时,对动子振动冲击造成的。
图9为驱动频率2 Hz,不同进给电压的步距分辨力图,可以看出,驱动器步距随着进给驱动电压减小而减小,最小步距分辨力达到50 nm。当驱动电压低于50 V时,由于摩擦和加工误差等因素干扰的比重明显增大,实验观察到,步距输出不稳定。同时,经实验测试,驱动器工作行程21 mm。
从图8和图9中可以看到,前后向步距不一致,主要是由于两方向驱动力不同导致的。前向步进运动时,压电陶瓷推力做驱动力;后向步进运动时,柔性铰链弹性回复力做驱动力。
造成压电步进驱动器动子运动不稳定的主要原因在于由机械加工误差引起的摩擦力的不确定性和接触问题、外界振动干扰、驱动信号引起的箝位冲击以及压电陶瓷自身的动态特性等。在实际应用中,应合理设计驱动器的机械结构,提高其动态性能,优选动态特性好的压电陶瓷作为驱动器的动力元件,并适当采用隔振手段和适当的手段对其进行闭环控制,克服上述不足,尽可能地提高驱动器的运动稳定性和运动精度保持性,以满足实际工作的需求。
3 结 论
本文设计的压电步进驱动器,结构简单,易于控制,运动分辨力达到nm量级,步距分辨力达到50 nm,工作行程21 mm,并有较好的动态响应能力和断电箝位的特点,满足神光Ⅱ高功率激光装置的工程使用需求。同时,该结构对进一步了解和研究压电驱动提供了一种新的途径。
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本文作者：王 斌, 张 涛, 杨朋千, 王 勇, 朱健强
