第29卷第3期振动与冲击JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK基于压电致动器的微动隔振平台系统陶帅，白鸿柏，侯军芳，何建设(1．军械T程学院自行火炮教研室，石家庄050003；2．63981部队司令部，武汉430311)摘要：为实现微仪器隔振平台的自适应控制，对第三代压电致动器顶杆部件进行了改进，并将其直接应用于微隔振系统，隔振效果不是很理想。为此，对致动器进行了系统在线建模，从理论上分析了导致结果不理想的原因，给出了一种改进方法，通过理论建模分析和试验研究，结果表明：该方法虽然降低了致动器位移增益，但具有较好的隔振效果。关键词：微隔振平台；压电陶瓷；致动器中图分类号：TB12文献标识码：A微动平台的高要求需要隔振的高效率，具有驱动传感功能的一体化驱动结构为微动平台主动隔振系统的建立提供了一种途径。压电致动器作为微隔振平台自适应控制的重要组成部件，它不仅具有结构承载功能，还具有驱动和传感的功能，主动元件研制成为发展自适应结构控制的关键问题之一。在Umland等_1研制了低电压驱动的第三代主动元件后。在国内，严蔚对压电致动器特性进行了理论与实验研究；叶青等开展了航天压电陶瓷致动器的设计与实验研究；李俊宝MI5研制了一种压电主动元件，并用于自适应桁架控制。本文在前述文献的基础上，改进现在通用的用于压电微动平台隔振的三代致动器，将其直接应用于微隔振平台进行初步的试验研究，发现了其中的不足，并就此提出一种改进方法，通过理论建模分析和试验结果显示，它具有更好的隔振效果。1压电致动器的改进第三代的压电主动元件结构主要由压电堆、预压装置、“球形”传力装置、运动输出元件、外壳和微位移传感器组成，其中承力部件有压电陶瓷驱动器、预压弹簧装置、抗弯装置，其核心部件为压电陶瓷驱动器，如图1所示。1．底座2．“球形”传力装置3．顶杆4．预压装置5．外壳6．压力传感器7．预压弹簧8．压电堆图1压电致动器收稿日期：2008—10—13修改稿收到日期：2009—05—05第一作者陶帅男，博士生，1985年生压电作动器顶杆和外筒之间为滑动、间隙配合，不可能不存在摩擦，以前的设计是在运动输出杆外表面设计了O型圈，但这从实际的加工工艺考虑，其加工成本很大且可加工度非常小，最重要的是O型圈与外壳的接触属于线接触，很容易导致顶杆的倾斜和不稳定，为此，在顶杆和外壳的配合处，加工一如图1的凹槽，尽可能的减少了摩擦面积，面接触又避免了顶杆的倾斜。接触面需要在满足稳定性前提下尽可能的小，同时，由于工艺和加工水平的限制，通过试验和ANSYS仿真，接触面和凹槽的纵向长度比选为1．5mm：2mm：1．5mm。为避免元件由于加工配合原因导致的两圆环问空隙中存人空气，影响控制性能，在配合面上设计了一出气槽，保证滑动品质的优良性。顶杆部分的设计利用文献[7]的试验结论：当采用不锈钢等较软材料作顶杆时，致动器的实际位移输出量程比压电堆的标定量程降低了近40％，这是由于顶杆的刚度过低，顶杆发生挠曲变形造成的。为此，本文采用45钢代替不锈钢来制作顶杆，从而保证其具有足够的强度和刚度，使压电堆的位移输出损耗降低。2压电隔振平台的特性分析本文设计的压电致动器应用的是PTBS200型压电堆，其最大位移40m，最大推力800N，压电堆等效刚度40N／p．m。采用PLS—S1010kN电液伺服实验机(分辨率为0．O1kN)对压电作动器施加压力，通过HPV系列压电陶瓷驱动电源提供驱动电压，由电涡流传感器提供输出位移。按照图2构建压电堆受压实验测试系统。结果显示在预压为600N～800N之间时，输出位移增量最大；在预压为300N～340N时，迟滞量最大，到500N左右时，迟滞量达到未加预压时的水平。综合考虑迟滞和位移增量，选择预压力为700N。图2试验框图148振动与冲击2010年第29卷由于设计的压电致动器顶杆部分利用45钢来降低损耗因子，为此，忽略顶杆的作用。压电陶瓷的静力学模型可以简化成如图3所示的模型，即与弹簧刚度K并联，并受外力F作用。图中F，为压电图3压电致动器等效力学模型陶瓷由于受到弹性筋及外力约束而产生的力，为压电陶瓷作用位移。设压电陶瓷作用面积为4，长为，弹性模量为，压电应力常数为d，，压电陶瓷的自由位移：=d。，U，则在外...
