Cymbal型復合壓電作動器微進給技術研究

摘要：針對普通壓電作動器行程較短的缺點，提出一種具有Cymbal結構的復合壓電陶瓷作動器的結構設計。通過將壓電陶瓷微小的徑向位移放大，轉換成軸向位移，擴大了作動器的行程。在作動器控制系統設計中，一方面在硬件結構設計中引入了高精度的位移傳感器閉環反饋系統，另一方面通過對作動器的輸出進行軟件補償的方法，消除了Cymbal型復合壓電作動器自身存在的輸出磁滯性和非線性的缺點，大幅度提高了系統的開環控制特性，實現了對作動器的高精度控制。實驗結果證明系統設計有效。 

關鍵詞：壓電作動器 微進給 控制系統 行程 智能傳感器

引言

　　壓電陶瓷作動器是一種利用壓電陶瓷逆壓電效應制作的微位移器件。它具有體積小、重量輕、精度和分辨率高等許多優點，但由于其行程較短，因而限制了其在許多領域的應用。具有Cymbal結構的壓電陶瓷作動器可以將壓電作動器的徑向形變放大幾十倍，并將其累加到軸向變形上，因而使其具有更大的位移輸出。因此，具有Cymbal結構的壓電陶瓷作動器在諸如光學、電子等需要小推力和大行程的領域，有著廣泛的應用前景。

1 Cymbal型復合壓電作動器

　　1.1Cymbal復合壓電振子

　　Cymbal型復合壓電振子是由兩只薄鐃鈸形金屬薄殼夾持一枚厚度方向極化的壓電陶瓷圓片所組成，如圖1所示。整個壓電作動器是由多個復合壓電振子結構上串聯粘接而成的。金屬薄殼的作用是將壓電陶瓷圓片的小徑向伸縮變換為金屬薄殼腔體的彎曲變形。因此，在相同電壓下，相同片數的具有Cymbal結構的壓電陶瓷作動器能夠比普通的堆疊式壓電陶瓷作動器產生更大的位移輸出。

　　　　　　 
　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1Cymbal復合壓電振子

基金項目：國家自然科學基金、中國工程物理研究院聯合基金資助項目，基金項目編號10376043。

　　如圖1所示，鐃鈸環形邊緣與壓電振子粘在一起，構成金屬陶瓷復合環片。其中h0 ，h1和h2 分別為壓電振子、金屬薄殼和強力膠的厚度。圖1中的壓電振子是沿Z軸方向（即縱向）極化的，其半徑為R0；鐃鈸底部呈圓環片形狀，其外徑為R0，內徑為R1，空腔高度為H (HR1)。

　　1.2Cymbal結構的放大作用

　　從圖1可以看出,鐃鈸結構近似為一平頂錐臺。在壓電振子發生徑向形變時，平頂錐臺頂半徑R2不變；由于強力膠的作用，鐃鈸環形邊緣不變，即在形變時只有鐃鈸內徑R1和空腔高度H發生變化。這里不妨假設Cymbal薄殼變形前后的表面積相等，則有：

　　　　　　 

　　式中ΔH是單個鐃鈸的軸向變化量；ΔR為金屬－陶瓷復合圓片的徑向位移。忽略式中的高次因子ΔR2和ΔH 2，可得：

　　　　　　　　　　

　　由于每個壓電復合振子有兩個鐃拔結構，因此上述關系應乘以2。

　　鑒于國內的實際供貨情況，筆者選用厚度方向上極化的PZT5A型壓電陶瓷圓片制作Cymbal型復合壓電振子。壓電振子的參數為：彈性柔順常數sE11=16.4