cymbal型复合压电作动器微进给技术研究

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1、Cymbal型复合压电作动器微进给技术研究

2、第1内容显示中lunbal结构的复合压电陶瓷作动器的结构设计。通过将压电陶瓷微小的径向位移放大，转换成轴向位移，扩大了作动器的行程。在作动器控制系统设计中，一方面在硬件结构设计中引入了高精度的位移传感器闭环反馈系统，另一方面通过对作动器的输出进行软件补偿的方法，消除了Cymbal型复合压电作动器自身存在的输出磁滞性和非线性的缺点，大幅度提高了系统的开环控制特性，实现了对作动器的高精度控制。实验结果证明系统设计有效。关键词：压电作动器微进给控制系统行程智能传感器引言压电陶瓷作动器是一种利用压电陶瓷逆压电效应制作的微位移器

3、件。它具有体积小、重量轻、精度和分辨率高等许多优点，但由于其行程较短，因而限制了其在许多领域的应用。具有Cymbal结构的压电陶瓷作动器可以将压电作动器的径向形变放大几十倍，并将其累加到轴向变形上，因而使其具有更大的位移输出。因此，具有Cymbal结构的压电陶瓷作动器在诸如光学、电子等需要小推力和大行程的领域，有着广泛的应用前景。1Cymbal型复合压电作动器1.1Cymbal复合压电振子Cymbal型复合压电振子是由两只薄铙钹形金属薄壳夹持一枚厚度方向极化的压电陶瓷圆片所组成，如图1所示。整个压电作动器是由多个复合压电振子结构上串联粘接而成的。金属薄壳的作用是

4、将压电陶瓷圆片的小径向伸缩变换为金属薄壳腔体的弯曲变形。因此，在相同电压下，相同片数的具有Cymbal结构的压电陶瓷作动器能够比普通的堆叠式压电陶瓷作动器产生更大的位移输出。500)this.style.ouseg(this)">图1Cymbal复合压电振子金项目：国家自然科学基金、中国工程物理研究院联合基金资助项目，基金项目编号10376043。如图1所示，铙钹环形边缘与压电振子粘在一起，构成金属陶瓷复合环片。其中h0，h1和h2分别为压电振子、金属薄壳和强力胶的厚度。图1中的压电振子是沿Z轴方向（即纵向）极化的，其半径为R0；铙钹底部呈圆环片形状，其外径为R

5、0，内径为R1，空腔高度为H(HR1)。1.2Cymbal结构的放大作用从图1可以看出,铙钹结构近似为一平顶锥台。在压电振子发生径向形变时，平顶锥台顶半径R2不变；由于强力胶的作用，铙钹环形边缘不变，即在形变时只有铙钹内径R1和空腔高度H发生变化。这里不妨假设Cymbal薄壳变形前后的表面积相等，则有：500)this.style.ouseg(this)">式中ΔH是单个铙钹的轴向变化量；ΔR为金属－陶瓷复合圆片的径向位移。忽略式中的高次因子ΔR2和ΔH2，可得：500)this.style.ouseg(this)">由于每个压电复合振子有两个铙拔结构，因此上

6、述关系应乘以2。鉴于国内的实际供货情况，笔者选用厚度方向上极化的PZT5A型压电陶瓷圆片制作Cymbal型复合压电振子。压电振子的参数为：弹性柔顺常数sE11=16.4×10-12(m2/N)，泊松比μ0≈0.35，比重ρ0=7.75×103(kg/m3)，半径R0＝10mm，厚度h0=1mm。铙钹是用厚度h1为0.3mm的高弹性铍青铜（QBe1.9）带材冲压成型的，铙钹的有关参数为：弹性模量YE=135Gpa，密度ρ1=8.29g/cm3,泊松比μ1=0.35，铙钹外缘半径R0＝10mm，内腔的底面半径R1＝7.5mm，顶面半径R2＝2.5mm，高度H＝0.5

7、mm。最后，用AB环氧树脂胶把陶瓷圆片和上、下两铙钹的边缘粘接起来，即可制成Cymbal。整个压电陶瓷作动器由20枚复合压电振子在结构上串联粘接而成。将上述参数带入到（2）式，可得实际铙钹式压电作动器对于压电陶瓷片径向变形的放大倍数K=50。1.3复合压电振子驱动特性由于压电振子与铙钹粘在一起，这必然要对压电振子的机电特性产生影响。对于压电陶瓷薄片来讲，外加电场将会影响压电材料内部电偶极子排列的一致程度，而电偶极子的一致排列又会在压电材料的内部产生相应的感应电场，而其内部感应电场的强弱又反过来影响压电材料内部电偶极子排列的一致程度，如此循环往复直到平衡为止。对于

8、Cymbal型复合压电振子来讲，当压电振子发生径向变形时，其必然要受到铙钹相反方向的约束力,而根据压电方程压电振子的受力又会反过来影响压电振子的形变，即压电振子的形变与其所受的约束力之间相互作用直到平衡为止。因而，复合压电振子的变形与外加电场之间呈现出非常复杂的关系［1］。图2为压电作动器的实测电压位移特性曲线图。500)this.style.ouseg(this)">图2Cymbal型复合压电作动器实测电压位移特性曲线2控制系统设计2.1系统组成由于Cymbal型复合压电作动器的非线性与磁滞性，笔者设计了如图3所示的闭环控制系统来实现作动器的微进给控制。500

9、)this.style.