尺蠖式压电线性作动器设计及实验研究

作     者：柏德恩 邓少龙 李云涛 沈刚 朱真才 BAI Deen;DENG Shaolong;LI Yuntao;SHEN Gang;ZHU Zhencai

作者机构：中国矿业大学机电工程学院徐州221116 上海航天控制技术研究所上海201109 

出 版 物：《振动．测试与诊断》 (Journal of Vibration,Measurement & Diagnosis)

年 卷 期：2023年第43卷第3期

页      面：435-441,616页

核心收录：

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(52005496) 江苏省自然科学基金资助项目(BK20200641) 

主　　题：尺蠖式 压电作动器 压电陶瓷叠堆 位移放大 断电自锁 

摘      要：针对空间环境下小型抓取操作机构对新型作动器的使用需求,考虑压电作动器具有耐温范围宽、无电磁干扰及断电自锁等特点,仿照昆虫尺蠖的行走方式设计一种新型压电线性作动器。首先,利用柔性铰链式位移放大机构放大压电陶瓷(Pb-Zr-Ti,简称PZT)叠堆的输出位移,以增大线性作动器的移动步长及对导轨的夹紧变形量,将多个压电陶瓷叠堆器件分为3组,分别作为尺蠖式压电线性作动器的2个夹持单元和1个推进单元的激励源,以获得较大的驱动力并进一步增大作动器的移动步长;其次,借助有限元仿真分析软件,研究压电陶瓷叠堆力电耦合行为的预测方法,并实验验证该方法的可行性;然后,简化柔性铰链式位移放大机构,提出放大倍数的数值分析方法,对位移放大机构在压电陶瓷叠堆作动方向上的刚度进行仿真分析,并验证放大倍数的数值分析方法的准确性;最后,基于设计的线性作动器开展实验研究。结果表明:位移放大机构对压电陶瓷叠堆输出位移的放大倍数为7.3,处于理论值与仿真值之间;在激励电压频率为5 Hz时,作动器的最大空载移动速度为413μm/s;作动器的最大推动力为16 N,对应的驱动速度为19μm/s。以上研究结果能为小型抓取操作机构的智能驱动提供技术支持。