压电式粉末驱动器的设计与测试*

于 淼，侯 俊，刘金龙，林佳颖，李沈芳，田晓超

(长春大学 机械与车辆工程学院，吉林 长春 130022)

0 引 言

压电驱动器具有高驱动速度和高位移分辨率等优势，广泛应用于半导体加工、精密机械加工与生物医学等领域[1-4]。然而驱动器受到频率和电压的影响，会导致驱动器的驱动效果不佳[5-7]。为了提高驱动器的驱动效果，实现高精度的物料输送，很多研究学者通过改进压电驱动器的结构来提高其工作性能。Peng等[8]设计了一种压电惯性驱动的微飞行器扑翼机构，通过压电叠堆带动曲柄滑块机构实现扑翼的往复运动，使驱动器的最大速度达到 11.4 mm/s。Min-Ho Park等[9]开发了一种新型直线压电驱动器，利用压电振子使驱动足产生弯曲变形并带动驱动器工作，速度可达33 μm/s。台湾国立大学研制的压电惯性驱动器[10-11]，采用多自由度结构使装置分辨力达到10 nm。朱吴乐等[12]将叶型双平行四边形结构与Scott-Russel和半桥机构组成的柔顺放大机构相结合，研制出用于纳米定位的平行两自由度压电驱动的柔顺微动平台，其共振频率分别为570 Hz和585 Hz。2018 年吉林大学设计研究的惯性式压电驱动器，驱动元件采用压电单晶片振子，振子分为两组，一组提供拉力，另一组提供沿驱动器运动方向的推力，定位精度高、速度更快[13]。中国科学技术大学设计了带有等宽凸轮结构的直线惯性驱动器[14]，最小步距为1.15 nm。

为了实现压电驱动器高精度的粉末输送，笔者设计了一种压电驱动式粉末驱动器。该结构将三组压电元件对称分布，可实现粉末的定向定量输送。在精密加工的自动化生产线上，它具有很好的应用前景。

1 结构设计与工作原理

1.1 结构设计

压电式粉末驱动器其结构如图1所示。

图1 驱动器结构设计

主要由驱动台、弹簧板、压电振子、基座和垫块等五部分组成。其中压电振子粘附在弹簧板上，垫块固定压电振子，起到稳定输出的作用，基座可以使粉末平稳输送且实现压电振子夹紧。

1.2 工作原理

将压电振子连接驱动电源，调整到合适的电压及频率，使压电振子振动，然后压电振子的振动转化为驱动台上下和左右方向的振动来驱动粉末输送，最后粉末通过振动由驱动平台大口向小口运输。当驱动电源的输入频率和系统的固有频率接近或者一致时，系统处于共振状态，此时粉末驱动器输送能力最强，物料通过指定的轨道按照一定的方向进行运动。

2 理论分析

粉末驱动器的动力学模型如图2所示。其中，m为驱动台的等效质量；k为弹簧板和压电振子等效刚度；c为等效阻尼；x为驱动器垂直方向的振幅。

图2 简化的力学模型

在谐振激励F(t)=f0sinωt的作用下，建立系统动力学方程为：

(1)

方程两端同时除以m并考虑粘性阻尼因子，得到谐波激励下的系统微分方程为：

(2)

式中c和k有以下公式：

(3)

将式(3)代入式(2)进一步转化为：

(4)

式中：ζ为阻尼比；wn为系统固有频率。

稳态响应为：

(5)

将式(5)简化为：

x(t)=Xcos(wt-φ)

(6)

可得振幅：

(7)

谐振响应的幅值X与谐振激励幅值A之间的比值，称为振幅放大倍数|H(w)|：

(8)

式中：A=F0/k，得到|H(w)|极大值时的w值：

(9)

将式(9)得到得w值带入式(8)中，得到|H(w)|的极大值：

(10)

把物料输送等效为小滑块在水平面上的运动，对物料速度进行分析。轨道的振动属于简谐振动，假设轨道的运动方程为：

S=Bsinwt

(11)

式中：B为轨道的振幅；ω为轨道的振动频率。

可得轨道运动的速度：

V=Bwcoswt

(12)

3 实验测试

3.1 测试装置

实验装置如图3所示。主要包括显示器、试验样机、数字调频压电振动送料控制器、高精度激光测微仪、传感器支撑架、试验台、电源、定位台等。分别进行运行速度测试、输出位移测试。

图3 粉末驱动器性能测试

3.2 驱动器的性能测试

3.2.1 驱动器的频率特性

将粉末均匀放置在驱动平台末端，调整电压至100 V，设置频率采样周期为1 Hz。测得驱动频率与驱动速度、驱动振幅之间的关系曲线如图4、5所示。

图4 频率对驱动速度关系曲线 图5 频率对驱动振幅关系曲线

由图4、5可知，驱动速度和振幅随着频率的变化先增大后减小，当共振频率为145 Hz时，驱动速度可达到1.68 mm/s。频率过大或者过小时，驱动器将无法驱动粉末，有效的驱动频率区间为115～175 Hz。

3.2.2 驱动器的电压特性

将频率调节到145 Hz，测量0～100 V下驱动器的速度和振幅，得到电压与驱动速度和振幅的关系曲线如图6和图7所示。

图6 电压对驱动速度的关系曲线 图7 电压对驱动振幅的关系曲线

由图6可知，当电压小于20 V时，驱动器不能输送物料，当电压大于20 V时，粉末开始缓慢移动，并随着电压的增大而迅速增大。由图7得出，驱动器的振幅随着电压的增大而增大，当电压过小则无法实现驱动，振幅过大会影响驱动器的输送效果。

4 结 语

为了实现压电式驱动器高精度的粉末输送，设计了一种压电式粉末驱动器。通过力学模型分析得到影响粉末驱动器性能的影响因素。通过设计样机并进行实验测试得出，当系统处于共振频率为145 Hz，驱动电压为100 V时，粉末的移动速度达到1.68 mm/s，振幅可以达到8.8 μm，此时驱动粉末的效果达到最佳。此设计在自动化加工、装配及运输领域有广泛的应用前景。