通过辅助的断电自锁机制增强压电尺蠖执行器的推力

《Sensors and Actuators A: Physical》：Enhancing thrust of piezoelectric inchworm actuator with an auxiliary power-off self-locking mechanism

压电虫型驱动器通过辅助断电自锁机制与单一体化夹紧-驱动机构设计，在提升推力（53.9N）和保持高速度（3.07mm/s）的同时优化结构紧凑性，基于动态刚度矩阵建模与有限元仿真验证了理论模型的有效性。

　　

高洪晨|潘明强|刘继柱|凌明翔

中国苏州大学机械与电气工程学院机器人及微系统中心，215123

摘要

压电尺蠖执行器因其稳定的输出、高分辨率和大负载能力而在精密运动应用中越来越受到重视。然而，如何在速度、推力、结构紧凑性和自锁能力之间找到平衡仍然是一个挑战。本文提出了一种具有辅助断电自锁驱动机制的压电尺蠖执行器。该驱动机制的辅助自锁功能在滑块静止时提供初始夹紧力，并在驱动单元执行步进运动时释放滑块。本文还提出了一种整体式的夹紧-驱动柔性机制，并设计了一种惯性低、动态带宽高的推进式尺蠖执行器。建立了一个频域动态刚度矩阵模型来捕捉接触刚度特性，并寻找最佳的运动静力和动态性能。通过有限元仿真验证了理论模型。采用最佳结构参数后，制造出了原型机，实验结果显示：在420 Hz的工作频率下，最大速度为3.07 mm/s，驱动方向上的推力为53.9 N，运动分辨率为80 nm，垂直负载能力超过11 kg，且运动速度仅降低了28%。

引言

近年来，随着精密技术的快速发展，对具有厘米级行程、纳米级精度和高负载能力的纳米定位平台的需求在原子力显微镜、微组装机器人和半导体制造系统等领域不断增长[1]、[2]、[3]。压电跨尺度执行器因其纳米级运动精度、厘米级行程以及抗电磁干扰的能力而得到广泛应用[4]、[5]、[6]。根据工作原理，压电跨尺度执行器可分为三类：粘滑型[7]、[8]、[9]、超声波型[10]、[11]和尺蠖型[12]、[13]。与压电粘滑型和超声波执行器相比，压电尺蠖执行器通常具有更高的推力和更稳定的步进运动。此外，粘滑执行器中的动态摩擦和高频超声波运动中的磨损问题在尺蠖执行器中得到了极大缓解。

压电尺蠖执行器通过模仿自然尺蠖的运动方式实现步进运动，依赖于其夹紧单元和驱动单元的交替工作[14]。基于这种生物启发的工作原理，尺蠖执行器可分为三种子类型：行走型[15]、推进型[16]和混合运动型[17]。行走型和混合类型中夹紧单元和驱动单元的大质量惯性会降低系统的动态带宽，从而限制运动速度和稳定性[18]、[19]、[20]。此外，驱动单元和/或夹紧单元的跨尺度运动可能导致步进运动过程中的不稳定性。而在推进型配置中，夹紧单元和驱动单元固定不动，通过弯曲机构的微变形使滑块向前移动一步。导轨（滑块）与夹紧单元和驱动单元解耦，从而提高了整个系统的动态带宽。尽管有这些优点，推进型运动模式仍存在设计挑战：如何在保持较大推力和高运动速度的同时，降低结构复杂性[21]、[22]。

通常，压电尺蠖执行器的输出推力、运动速度和负载能力主要由夹紧单元和驱动单元的设计决定。夹紧单元主要依靠静摩擦，其输出刚度显著影响执行器的夹紧力。文献中介绍了三种夹紧单元配置：位移放大型[23]、力放大型[24]和直接推动型[25]。位移放大型通常输出刚度较低，难以产生足够的夹紧力。虽然力放大方案可以提高输出刚度，但会降低输出位移，从而增加制造难度和公差要求。相比之下，直接推动型配置可以提供适中的输出刚度，从而产生较大的夹紧力[26]。

尽管采用压电直接推动配置的夹紧单元可以显著增强输出力，但由于压电堆栈在正电压下只能承受伸长变形，因此难以同时实现静止时的自锁功能。通常使用柔性机制来调节压电堆栈的伸展和收缩变形，从而为其构成的尺蠖执行器实现静止时的自锁功能[27]、[28]。然而，柔性机制的不当设计会导致夹紧力降低和结构复杂性增加。为了提高推力，一些研究在夹紧单元的输出端口引入了表面微结构[17]、[29]，但这也会增加制造复杂性。此外，驱动单元的输出刚度是影响尺蠖执行器输出力的关键因素[30]。

为了解决压电尺蠖执行器中的这些问题，本文提出了一种基于辅助夹紧设计的整体式集成柔性夹紧-驱动机制的压电尺蠖执行器。当夹紧单元和驱动单元都处于非活动状态时，通过将驱动单元压在导轨（滑块）上来实现断电自锁状态。利用所提出的整体式夹紧-驱动机制的直接推动模式增强了夹紧力。通过动态刚度矩阵的参数建模进一步验证了所提出的整体式夹紧-驱动柔性机制的最佳性能。

本文的其余部分安排如下：第2节介绍设计细节；第3节和第4节分别介绍动态刚度矩阵建模和结构参数影响分析；第5节通过实验测试评估原型机的性能；第6节总结结论。

操作原理和设计细节

所提出的压电尺蠖执行器采用典型的双轴驱动结构，其结构图如图1所示。两组交叉滚轮导轨固定在基座上，滑块连接到运动平台上。夹紧单元和驱动单元一体化设计并制造，以减少装配误差。整体式集成的夹紧-驱动机制位于导轨内部，用于抓取滑块

参数建模

在本节中，基于动态刚度矩阵模型对整体式集成夹紧-驱动机制的运动静力和动态性能进行了建模。关键几何参数在图4(a)中定义。图中的垂直厚度（宽度）为7.5 mm。整体式夹紧-驱动机制被离散化为弯曲梁和刚体（见图5(a)）。在离散化过程中，驱动单元的输入端口被建模为两个

参数影响分析

使用ANSYS Workbench 18.0进行了有限元仿真以验证理论动态刚度矩阵模型。有限元模型采用20节点的Solid 186单元构建。典型网格由670959个单元和1024520个节点组成。材料为铝合金，其杨氏模量E=71 GPa，剪切模量G=27 GPa，密度ρ=2770 kg/m3。在有限元仿真过程中，z轴方向的位移被限制为零

实验结果

制造出的原型机整体尺寸为180 mm × 92 mm × 16 mm，如图12所示。整体式夹紧-驱动机制由7075铝合金制成，采用电火花加工技术制造。实际上，不同类型的弯曲铰链在轴向漂移、柔顺性和应力分布方面表现出不同的性能。当前设计中使用了叶片弯曲铰链，因为它们的制造工艺简单。

结论

本文提出了一种基于辅助断电自锁机制的新型压电尺蠖执行器。通过集成夹紧-驱动机制，输出推力得到增强，同时保持了相对较高的工作速度和良好的运动稳定性，从而在紧凑的结构和易于装配的过程中提高了整体性能。整体式集成驱动-夹紧机制的输出刚度和共振频率

CRediT作者贡献声明

高洪晨：撰写——原始草稿，软件开发，数据管理，概念构思。潘明强：监督，资源协调。刘继柱：监督，形式分析。凌明翔：撰写——审稿与编辑，资金争取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作部分得到了Gusu创新与创业领军人才项目 [资助编号 -->ZXL2023155--> 的支持。

高洪晨于2023年在中国山东农业大学获得机械工程学士学位，目前在中国苏州大学机械与电气工程学院攻读硕士学位。他的研究兴趣包括压电驱动柔性机制设计、纳米定位设计和控制。