壓電促動(dòng)器的命名由它的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源及其功能相結(jié)合而來(lái)的。“壓電”指的是它的驅(qū)動(dòng)源，即利用PZT壓電陶瓷來(lái)作為驅(qū)動(dòng)源從而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)；而“促動(dòng)器”則是它的功能，它的移動(dòng)端可以產(chǎn)生促動(dòng)的作用，即用來(lái)帶載物體進(jìn)行微位移調(diào)節(jié)。壓電促動(dòng)器是將PZT壓電陶瓷進(jìn)行加載預(yù)緊力，并進(jìn)行金屬殼體封裝，同時(shí)，配備有機(jī)械固定安裝接口與負(fù)載安裝接口。
通常情況下，壓電促動(dòng)器自身就可以帶動(dòng)負(fù)載進(jìn)行微位移調(diào)節(jié)，其運(yùn)動(dòng)端的螺紋孔或桿，可直接與負(fù)載連接。當(dāng)然，它也可以驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，再由機(jī)械結(jié)構(gòu)完成運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)。
與壓電陶瓷疊堆相比，壓電促動(dòng)器有哪些優(yōu)點(diǎn)？
可承受一定拉力，壓電陶瓷不可承受拉力；
可用于動(dòng)態(tài)應(yīng)用，無(wú)預(yù)緊力的壓電陶瓷不可動(dòng)態(tài)使用；
金屬封裝保護(hù)，操作可靠性更高；
機(jī)械接口，安裝更方便，無(wú)需粘接；
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壓電促動(dòng)器的種類
直線壓電促動(dòng)器可根據(jù)外徑或出力分為多個(gè)系列，如VS9、VS10、VS12、VS15、VS20、VS22、VS35、VS45等，VS后面的數(shù)字即代表壓電促動(dòng)器的直徑，直徑越大，出力越高。
而根據(jù)壓電促動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓范圍，又可將其分別高壓、低壓，高壓通常為500V或1000V，低壓一般為150V；根據(jù)其形狀，又可分為柱形、環(huán)形壓電促動(dòng)器。
而根據(jù)是否配置傳感器，壓電促動(dòng)器又分為開(kāi)環(huán)(無(wú)定位反饋傳感器)和閉環(huán)(集成定位反饋傳感器)版本。開(kāi)環(huán)下，它的分辨率是無(wú)限高的，只受控制設(shè)備的噪聲的限制，但是由于壓電陶瓷的遲滯和蠕變特性，使其重復(fù)性和穩(wěn)定性較低。但閉環(huán)版本壓電促動(dòng)器，可消除遲滯和蠕變。
直驅(qū)機(jī)構(gòu)壓電促動(dòng)器介紹
直驅(qū)機(jī)構(gòu)壓電促動(dòng)器又叫封裝式壓電陶瓷促動(dòng)器，它非常適于集成到定制型運(yùn)動(dòng)設(shè)備，提供納米級(jí)分辨率，行程可達(dá)260微米，微秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間，且外形殼體非常緊湊。封裝式壓電陶瓷促動(dòng)器集成高可靠性、疊堆式、低壓/高壓PZT壓電陶瓷，外部由柱形不銹鋼外殼保護(hù)。較高的內(nèi)部機(jī)械預(yù)載力可適用于高負(fù)載、高動(dòng)態(tài)應(yīng)用。封裝式壓電陶瓷促動(dòng)器可產(chǎn)生的出力達(dá)50000N，使其非常適于機(jī)床、主動(dòng)振動(dòng)絕緣或自適應(yīng)力學(xué)。封裝式壓電陶瓷促動(dòng)器的小體積、高諧振頻率的特點(diǎn)又使其非常適于掃描顯微、激光調(diào)諧、光束偏轉(zhuǎn)、膜片鉗或干涉移相等應(yīng)用。
運(yùn)動(dòng)效果如下。
一、基本結(jié)構(gòu)
壓電促動(dòng)器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，它的內(nèi)部集成PZT壓電陶瓷，外部封裝金屬殼體，上端為移動(dòng)端，用于安裝負(fù)載；下端帶螺紋底座，用于壓電促動(dòng)器自身的固定安裝。
二、移動(dòng)端轉(zhuǎn)接方式
壓電促動(dòng)器的移動(dòng)端可選擇多種類型，標(biāo)準(zhǔn)類型包括平頭、球頭、內(nèi)螺紋、外螺紋等，也可根據(jù)用戶的機(jī)械接口進(jìn)行定制。
三、熱穩(wěn)定可選
選擇熱穩(wěn)定裝置可提高2~3倍功率，實(shí)現(xiàn)大行程高頻運(yùn)動(dòng)。
壓電促動(dòng)器在高頻動(dòng)態(tài)使用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，熱穩(wěn)定版本采用高導(dǎo)熱金屬材料殼體，并可選配散熱片，增強(qiáng)熱量快速導(dǎo)出能力。
四、產(chǎn)品定制
芯明天可針對(duì)用戶的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)壓電促動(dòng)器進(jìn)行靈活定制，如抗扭力型、帶通風(fēng)孔型、密封型、特殊安裝型等。
五、標(biāo)品參數(shù)
一）柱形壓電促動(dòng)器
柱形壓電陶瓷促動(dòng)器是通過(guò)將方形壓電陶瓷疊堆封裝于內(nèi)部，外部由柱形不銹鋼外殼保護(hù)，并通過(guò)機(jī)械外殼對(duì)壓電陶瓷疊堆施加預(yù)緊力，較高的內(nèi)部機(jī)械預(yù)載力可適用于高負(fù)載、高動(dòng)態(tài)應(yīng)用。它可輸出壓電陶瓷疊堆產(chǎn)生的位移及出力，且可承受一定的拉力。
1）VS9系列柱形壓電促動(dòng)器
· 200N出力
· 0~150V驅(qū)動(dòng)
2）VS10系列柱形壓電促動(dòng)器
· 550N出力
· 0~150V驅(qū)動(dòng)
3）VS12系列柱形壓電促動(dòng)器
· 1200N出力
· 0~150V驅(qū)動(dòng)
4）VS15系列柱形壓電促動(dòng)器
· 2300N出力
· 0~150V驅(qū)動(dòng)
5）VS20系列柱形壓電促動(dòng)器
· 4700N出力
· 0~150V驅(qū)動(dòng)
6）VS25系列柱形壓電促動(dòng)器
· 7300N出力
· 0~150V驅(qū)動(dòng)
二）環(huán)形壓電陶瓷促動(dòng)器
環(huán)形壓電陶瓷促動(dòng)器內(nèi)部是由環(huán)形壓電陶瓷疊堆驅(qū)動(dòng)，中心具有通孔。底部由螺紋固定，頂端為外螺紋。并且，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品配有鏡片固定帽，利于鏡片的安裝，可應(yīng)用于光學(xué)定位系統(tǒng)。
1）VS22系列環(huán)形壓電促動(dòng)器
· 3000N出力
· 0~150V驅(qū)動(dòng)
2）VS35系列環(huán)形壓電促動(dòng)器
· 5300N出力
· 0~150V驅(qū)動(dòng)
三）殼體外螺紋壓電陶瓷促動(dòng)器
殼體外螺紋壓電促動(dòng)器，是機(jī)械封裝殼體外帶有螺紋的柱形壓電促動(dòng)器，方便與外部機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝固定，主要應(yīng)用于光束偏轉(zhuǎn)、光路調(diào)整、鏡片調(diào)節(jié)架或需要通過(guò)外螺紋進(jìn)行安裝的直線、角度運(yùn)動(dòng)應(yīng)用等。為了獲得更大的剛度，外螺紋式壓電促動(dòng)器采用了鎖緊螺母。
1）M14殼體外螺紋壓電促動(dòng)器
· 1200N出力
· 0~150V驅(qū)動(dòng)
2）M22殼體外螺紋壓電促動(dòng)器
· 4700N出力
· 0~150V驅(qū)動(dòng)
四）抗扭力壓電陶瓷促動(dòng)器
抗扭力壓電陶瓷促動(dòng)器，可抵抗在安裝負(fù)載鎖緊加固過(guò)程對(duì)內(nèi)部壓電陶瓷造成的旋轉(zhuǎn)扭力，從而避免造成壓電陶瓷的損壞。VT系列抗扭力促動(dòng)器的結(jié)構(gòu)緊湊，非常易于集成。特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其在承載、行程、動(dòng)態(tài)及外形尺寸等都進(jìn)行了優(yōu)化。它的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)元件為高性能長(zhǎng)壽命壓電促動(dòng)器。直徑分14mm及17mm等類型，出力可達(dá)1200N，位移行程可達(dá)95μm。
1）VT14抗扭力壓電促動(dòng)器
· 1200N出力
· 0~150V驅(qū)動(dòng)
2）VT17抗扭力壓電促動(dòng)器
· 1200N出力
· 0~150V驅(qū)動(dòng)
五）收縮型壓電陶瓷促動(dòng)器
收縮型壓電陶瓷促動(dòng)器是指在施加電壓后可產(chǎn)生收縮運(yùn)動(dòng)位移的壓電陶瓷促動(dòng)器。該收縮型壓電陶瓷促動(dòng)器具有納米級(jí)步進(jìn)分辨率，可提供毫秒甚至亞毫秒的快速響應(yīng)。
M25系列收縮型壓電促動(dòng)器
· 2000N拉力
· 0~200V驅(qū)動(dòng)
六、歷史定制案例展示
一）定制真空、低溫、無(wú)磁版
二）定制移動(dòng)端
三）定制安裝接口/螺紋
四）定制電連接裸線
五）定制鏡片安裝
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六）定制抗扭力環(huán)形壓電促動(dòng)器
七）定制特殊環(huán)境、功率等
七、產(chǎn)品應(yīng)用
芯明天壓電促動(dòng)器的高精度、大出力以及快速響應(yīng)的特點(diǎn)使其在機(jī)械系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。
一）超導(dǎo)腔調(diào)諧
通過(guò)諧振器在軸向拉伸超導(dǎo)腔，改變加速間隙的大小，控制超導(dǎo)腔的頻率。通過(guò)機(jī)械調(diào)諧進(jìn)行頻率的粗調(diào)后，當(dāng)超導(dǎo)腔的頻率接近所需要的頻率時(shí)，通過(guò)壓電陶瓷促動(dòng)器對(duì)頻率進(jìn)行微調(diào)。利用的是壓電陶瓷促動(dòng)器的大出力、微位移的特性。
二）微細(xì)電火花加工
采用微細(xì)電火花加工微小孔過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多碎屑，這會(huì)嚴(yán)重影響電火花加工的精準(zhǔn)度及加工速度。設(shè)備中采用壓電促動(dòng)器，利用其微納米級(jí)位移、高頻振動(dòng)、大出力等特性將加工產(chǎn)生的碎屑進(jìn)行有效的清除，起到優(yōu)異的導(dǎo)屑作用。
三）細(xì)胞穿透
細(xì)胞的尺寸一般只有幾個(gè)微米大小，甚至更小。在研究細(xì)胞結(jié)構(gòu)或病理實(shí)驗(yàn)中，需要將探針準(zhǔn)確的送入細(xì)胞內(nèi)部。而壓電促動(dòng)器可做納米級(jí)精確移動(dòng)，它可帶動(dòng)探針或樣品細(xì)胞做納米級(jí)微運(yùn)動(dòng)，將探針準(zhǔn)確的送入細(xì)胞內(nèi)部，又不損傷細(xì)胞結(jié)構(gòu)，已被廣泛應(yīng)用于生物科技及生命科學(xué)等領(lǐng)域中。
四）減振抑振
振動(dòng)是很多機(jī)械系統(tǒng)中需要避免或消除的，如航空航天、汽車(chē)行業(yè)等。在振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)到振動(dòng)時(shí)，通過(guò)給壓電促動(dòng)器施加電信號(hào)，使壓電促動(dòng)器產(chǎn)生與振動(dòng)方向相反的位移，從而抵消振動(dòng)。
五）硬度測(cè)試
封裝陶瓷的外徑越大，其最大出力越大，外徑VS45的封裝陶瓷最大出力可達(dá)50000N。硬度測(cè)試主要是利用壓電陶瓷的大出力，對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行硬度測(cè)試。
六）3D端面檢測(cè)
目前光纖端面檢測(cè)，常用的方式是光學(xué)干涉來(lái)進(jìn)行測(cè)量。光學(xué)干涉就是根據(jù)相干光在空間相遇時(shí)，在某些區(qū)域始終增強(qiáng)，在某些區(qū)域始終減弱，形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布。3D干涉儀系統(tǒng)就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。CCD攝像頭上可以觀察到干涉條紋，芯明天壓電促動(dòng)器用于移動(dòng)干涉物鏡以產(chǎn)生位相移動(dòng)，CCD攝像頭測(cè)得的圖像經(jīng)圖像卡傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行解析處理。就可以得到需要的測(cè)量結(jié)果。每移動(dòng)一步后由CCD攝像頭讀取干涉條紋，根據(jù)干涉條紋的分布計(jì)算出端面形狀。
八、壓電促動(dòng)器安裝操作說(shuō)明
一）安全指南
壓電促動(dòng)器采用先進(jìn)的技術(shù)和安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)而成，為了您的自身安全及產(chǎn)品的正確使用，使用時(shí)請(qǐng)注意以下幾點(diǎn)。
溫度改變和壓力都會(huì)給壓電促動(dòng)器充電，與控制器斷開(kāi)連接的一段時(shí)間壓電促動(dòng)器也會(huì)保持帶電狀態(tài)，所以操作者在使用時(shí)要注意：
·不要擅自拆卸壓電促動(dòng)器；
·在安裝以前給壓電促動(dòng)器進(jìn)行放電，這個(gè)可以通過(guò)和控制器連接實(shí)現(xiàn)；
·在操作過(guò)程中不要拔出控制器；
·使用前首先檢查本產(chǎn)品的連接線是否完好，產(chǎn)品及控制器是否進(jìn)行了有效的接地保護(hù)，操作過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格規(guī)范操作，上電后不要用手觸碰產(chǎn)品(最高可達(dá)1000V以上電壓)，以防發(fā)生危險(xiǎn)。
為了防止不當(dāng)操作對(duì)產(chǎn)品造成損壞，使用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
·壓電促動(dòng)器盡量在無(wú)塵、無(wú)油、無(wú)潤(rùn)滑劑的環(huán)境中使用；
·建議負(fù)載不要超過(guò)本產(chǎn)品的承載能力，裝載時(shí)注意扭力不要過(guò)大，不要撬或扭轉(zhuǎn)負(fù)載面，以免損傷結(jié)構(gòu)；
·當(dāng)出現(xiàn)異常情況應(yīng)該立即關(guān)閉相關(guān)部分；
·低壓促動(dòng)器長(zhǎng)期使用建議使用電壓為0~120V；
·HPSt500高壓促動(dòng)器長(zhǎng)期使用建議使用電壓為0~400V；
·PSt1000和HPSt1000高壓促動(dòng)器長(zhǎng)期使用建議使用電壓為0~800V；
·請(qǐng)勿對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行拆解，以免造成產(chǎn)品損壞；
·避免拉伸和彎曲電纜接口，防止對(duì)電纜造成損壞；
·使用我公司提供的專用電纜連接壓電促動(dòng)器和控制器；
·不能隨便使用電纜延長(zhǎng)線，如需要更長(zhǎng)電纜請(qǐng)聯(lián)系我司銷(xiāo)售人員。
二）安裝與注意事項(xiàng)
安裝前首先要進(jìn)行安全檢查，如連接線有無(wú)破損、斷線，驅(qū)動(dòng)電源有無(wú)接地保護(hù)等。
壓電促動(dòng)器安裝步驟如下：
1)固定安裝前先清潔安裝平面；
2)連接負(fù)載，要求負(fù)載不要超過(guò)運(yùn)動(dòng)臺(tái)所能承受的最大負(fù)載，注意安裝時(shí)用扳手夾住夾持面，請(qǐng)參照樣冊(cè)上的每個(gè)產(chǎn)品的尺寸選擇合適的連接形式；安裝負(fù)載前，請(qǐng)先用鉗子夾住豁口，再進(jìn)行負(fù)載的安裝，防止移動(dòng)端旋轉(zhuǎn)對(duì)內(nèi)部壓電陶瓷造成扭力，破壞內(nèi)部壓電陶瓷。
3)將封裝陶瓷安裝在測(cè)量平臺(tái)上或通過(guò)光學(xué)平臺(tái)轉(zhuǎn)接座固定安裝在測(cè)量平面上，請(qǐng)根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸圖選擇合適螺栓進(jìn)行固定安裝，注意安裝時(shí)用扳手夾住夾持平面，這樣可以避免安裝時(shí)產(chǎn)生扭矩，避免對(duì)陶瓷造成損害；
4)將產(chǎn)品連接線與控制器連接起來(lái)；
5)如有不清楚的地方請(qǐng)聯(lián)系我們。
安裝示意圖
為了防止促動(dòng)器在使用過(guò)程中損壞，需要注意以下幾點(diǎn)：
·不要使用超過(guò)參數(shù)表規(guī)定的電壓范圍來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電驅(qū)動(dòng)器。
·不要跌落壓電陶瓷、避免任何形式的機(jī)械撞擊。
·有預(yù)緊力的壓電促動(dòng)器可以承受一定拉力(并不是壓電促動(dòng)器收縮產(chǎn)生)，但是不能承受剪切力、扭矩和彎矩。這些情況可能會(huì)對(duì)促動(dòng)器內(nèi)部的壓電陶瓷產(chǎn)生損壞?？梢酝ㄟ^(guò)球頭或者適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向機(jī)構(gòu)去除剪切、扭矩和彎矩。
避免受到剪切力和扭矩
避免受到彎矩
球頭或者柔性鉸鏈避免剪切力、扭矩和彎矩
注：抗扭矩壓電促動(dòng)器可承受一定扭矩。
