Cymbal型复合压电作动器微进给技术研究

摘要：针对普通压电作动器行程较短的缺点，提出一种具有Cymbal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。

1 Cymbal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。

　　　　　　 
　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1Cymbal复合压电振子

基金项目：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R0，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：

　　　　　　 

　　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ΔH 2，可得：

　　　　　　　　　　

　　由于每个压电复合振子有两个铙拔结构，因此上述关系应乘以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