新型压电扭转驱动器的设计与试验研究_图文

1、收稿日期:2008201229作者简介:刘大伟(19832,男,黑龙江桦南人,硕士生,主要从事机械设计理论和压电陶瓷驱动的研究。文章编号:100422474(20090420517203新型压电扭转驱动器的设计与试验研究刘大伟,刘向锋,高志,刘莹,丘天(清华大学精密仪器与机械学系,北京100084摘要:为实现压电扭转驱动器结构的简化,提高能量使用效率,设计了一种新型压电扭转驱动器。使用压电陶瓷双晶片在外加电场下的弯曲位移,通过简单的运动转换机构实现扭转位移的输出。采用激光反射测角法对驱动器输出的微小角度进行了测量,并与有限元仿真结果进行了比较。通过试验证明该方法制作压电扭转驱动器的可行性,并进

2、行了误差分析,为进一步优化设计提供了理论依据。关键词:压电陶瓷;扭转驱动器;试验研究;误差分析中图分类号:T H7;TN4文献标识码:AThe Design and R esearch on a N e w Piezoelectric Torsion L IU Da 2w ei ,L IU Xiang 2feng ,G AO Zhi ,L IU Ying ,QIU Tian(Dept.of Precision Instrument s and Mechanology ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China Abstract :A new type

3、of torsion piezoelectric actuator is designed to simplify the structure and improve the effi 2ciency of energy.With the bending of the piezoelectric bimorph in the electric field ,the torsion displacement is a 2chieved.By laser reflection ,the small angle is measured ;and the finite element analysis

4、 and the test results are compared.The test research shows that it is feasible to produce a piezoelectric torsion actuator with this method ,and the error analysis provides a theoretical basis for f urther optimization.K ey w ords :piezoelectric bimorph ;reverse actuator ;test research ;error analys

5、is压电驱动器是利用压电材料的逆压电效应,在电场的作用下直接将电能转换为机械能,产生机械位移的换能元件。它具有分辨率高,响应快,功耗低,无电磁干扰等优点,在微米纳米驱动和控制技术中占有重要地位,其应用涉及航空航天1、精密光学2等高新技术领域。由于大多数的研究均限于对压电直线驱动器的分析和使用,使压电陶瓷双晶片的扭转性能未得到充分发挥。为了探索压电驱动器的有效设计方法,精确分析驱动特性和提高驱动性能,为设计者提供可供参考的结构模型和分析方法,文献3通过对压电双晶片振动模态的分析,为压电陶瓷振动的优化设计提供参考。文献4采用反馈控制方法消除结构静变形。文献5通过对双晶片的应用,提出了进一步改进双晶

6、片结构的方法。本文使用压电陶瓷双晶片的弯曲变形,经转换机构转换输出扭转位移,通过有限元计算结果与试验测量值的对比分析和误差分析,给出了优化驱动器性能的方法。1驱动器结构设计1.1双晶片的结构双晶片采用压电陶瓷片胶接的方法制作。使用压电系数较大的PZT5陶瓷片,沿厚度方向极化,在与厚度方向垂直的大平面上镀有银电极,两片陶瓷片之间采用弹性较好的铍青铜引出电极。陶瓷片与铍青铜间使用能传递结构力的环氧树脂胶粘结,制作成如图1(a 所示的压电陶瓷双晶片,其尺寸(长×宽×厚为25mm ×5mm ×1.3mm 。其中压电陶瓷片的厚度为0.55mm ,铍青铜的厚为0.2

7、mm 。胶接时,上下两片陶瓷片的极化方向相同。加压后,由于其中一片陶瓷片的电场方向与极化方向相同,另一片的电场方向与极化方向相反,使其中一片伸长,另一片缩短。由于有接触面的约束作用,双晶片产生弯曲位移,如图1(b 所示 。图1压电陶瓷双晶片1.2驱动器的结构设计设计研制的压电扭转驱动器结构如图2所示。该驱动器主要由压电陶瓷双晶片、运动转换机构和底部约束机构组成。两组压电陶瓷双晶片并列排第31卷第4期压电与声光PIEZO EL ECTECTRICS &ACOUSTOOPTICSAug.2009列,极化方向相反。双晶片的一端被固定,另一端为自由端。在压电双晶片上施加电压信号时,其中的一片双

8、晶片朝某个方向弯曲,另一片双晶片朝相反方向弯曲。从顶部俯视两个弯曲位移的合位移,为具有一定转角的扭转位移。该合位移带动运动转换块做扭转运动,即完成输出 。图2压电扭转驱动器结构原理2试验方法与结果由于压电驱动器的输出角度与压电陶瓷片的刚度有关,带负载输出与空载输出有明显的差异,因此,不宜使用接触法测量驱动器的角度输出。由于试验需要直接测量两片陶瓷片的合成角度位移,因此使用光反射测量方法是一种简便易行的方法。2.1激光反射测角法激光反射测角法是指通过测量反射光线之间夹角的变化计算驱动器转过角度的方法。测量原理如图3所示 。图3激光反射测角法图3中,激光光源可发出汇聚性好的激光束,M 为试验时固定

9、在运动转换机构顶部的镜片,Y 为反射光线。低压时,镜面在M 1位置,反射光线为Y 1。加压后,镜面转过角度,到达M 2位置,此时反射光线为Y 2,反射光线转过角度为。根据几何光学的原理,=2。因此,测量出Y 1、Y 2及反射点移动的距离,根据余弦定理可计算出值,再通过值计算出值。由于当Y 1与Y 2较大时能够增加反射点移动的距离,因此,此法能使微小转角的测量变得简单易行。2.2试验结果对前述压电陶瓷双晶片作为驱动元件的压电陶瓷驱动器进行理论与试验对比分析。首先使用有限元方法进行仿真模拟。经计算,在理想的条件下,外加电压为300V 时,理论上输出角度为2.99°,实际测量值为2.73&

10、#176;,误差为-8.78%。有限元计算值与测量值取得良好的一致,有限元计算值略大于测量值 ,如图4所示。图4压电驱动器的电压2位移图2.3电滞回效应与迟滞效应由图4可看出,理论上驱动器的电压2位移曲线呈线性关系。电压从0升至300V 时,曲线的斜率逐渐增加;电压从300V 降至0时,曲线的斜率反向增加。升压与降压曲线的不重合性,表现出压电陶瓷具有明显的电滞回效应。电滞回效应对于压电驱动器的响应特性有较大的影响。在实验中明显观察到压电陶瓷的迟滞效应。迟滞效应是引起压电陶瓷非线性的主要原因。在对驱动器施加电压时,驱动器并不在瞬间到达最大形变,而是先产生阶跃变形到达某一值,再随着时间的变化产生剩

11、余变形。在低频状态下,陶瓷片有足够的时间产生剩余变形,因此输出变形较大;而在高频状态下,则没有足够的时间剩余变形。因此,在试验与实际使用时应注意由于迟滞效应给压电陶瓷驱动器的响应特性带来的影响。3误差分析由于理论计算与试验结果之间存在着不重合,因此有必要对误差产生的原因及减小误差的方法进行分析,为驱动器的优化提供理论依据。3.1材料特性误差分析压电材料的性质不均匀,每片压电陶瓷片的特性均有差异,其中压电参数d 33是响应电场的关键因素。由于理论计算采取模型的d 33与实际陶瓷片的d 33之间的差异会影响试验结果与仿真分析的吻合,518压电与声光2009年因此,对d 33的分析是有意义的。经计算

12、,输出角度的变化近似为d 33变化的平方。因此,对驱动器进行优化设计时,增加d 33能增加驱动器的输出角度。3.2宏观尺寸误差分析在制作压电陶瓷双晶片时,由于制作者水平的不同和制作方法的差异,会引起两片陶瓷片在长度或宽度方向的不重合,这种不重合也会对压电驱动器的输出产生影响,图5为不重合量对输出角度的影响。由图可看出,长度和宽度方向上均存在不重合,对输出影响较大;宽度方向的不重合影响次之;长度方向的不重合影响最小 。图5不重合量对输出角度的影响由于陶瓷片在加工时会产生差异。在几何尺寸中,厚度对输出的影响比较大。经计算,双晶片变形输出的变化量近似是厚度变化量的平方,如图6所示。由图可看出,减小厚

13、度用以增加输出是一种有效的方法。但综合考虑加工成本及耐用性的影响,陶瓷片的厚度也不宜过小 。图6陶瓷片厚度对输出角度的影响3.3其他误差分析在实际使用的双晶片与理论计算模型之间,还存在一些难于量化的误差,这些误差的存在也是引起仿真与试验结果不吻合的原因。胶接时粘胶的性能会对实际输出结果产生一定的影响,因为胶接层的厚度较薄,凝固态胶的性能又难以测量;同时,由于胶接层属于弹性体,在双晶片受电场作用产生变形时,胶接层内部的摩擦也会影响试验结果,因此减小胶接层的厚度也会提高试验精度;在陶瓷片制作的过程中需经烧结工艺定型,烧结时会使陶瓷片产生平面度发生变化。这些误差的存在,都会引起理论与试验结果的不吻合

14、。4结束语本文研究了基于压电陶瓷双晶片的弯曲效应制作压电陶瓷扭转驱动器的方法。通过试验证明了该方法的可行性,并为驱动器建立了有限元分析模型;对试验误差的深入分析为进一步优化驱动器设计指明了方向。该驱动器结构简单,体积小,易实现。激光反射测角法还可用来测量微小角度位移,具有一定的通用性。参考文献:1段勇,何麟书.锆钛酸铅压电陶瓷主动元件在航天自适应桁架结构中的应用J .宇航材料工艺,2004,3:56259.2袁松梅,林继杰,庄驰,等.新型二维压电光学扫描器J .压电与声光,2007,29(4:4112413.3唐勇军,王振龙,胡富强,等.平板式超声振子振动模态与谐响应有限元分析J .压电与声光,2006,28(4:4862488.4蒋建平,李东旭.压电复合