壓電驅(qū)動(dòng)的發(fā)展應(yīng)用研究

于文鑫+接勐+孫東

摘要：隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，工程領(lǐng)域?qū)︱?qū)動(dòng)裝置的技術(shù)更新有了更新的要求。壓電作為一種新型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)元件，有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，不斷被科研工作者研究應(yīng)用，被應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中的各個(gè)領(lǐng)域中，以提供高頻、小幅、精確加載的能力。本文闡述壓電驅(qū)動(dòng)的發(fā)展?fàn)顩r，舉例說(shuō)明壓電驅(qū)動(dòng)在高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：壓電式；疲勞試驗(yàn)機(jī)；高頻

疲勞試驗(yàn)機(jī)，作為一種測(cè)試材料力學(xué)性能的測(cè)試工具，不斷被科研人員應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，做材料在交變應(yīng)力作用下發(fā)生往復(fù)的拉伸變形、壓縮變形或拉、壓交替的變形，形成在未達(dá)到屈服應(yīng)力條件下的破壞失效一疲勞失效。而提供交變應(yīng)力往復(fù)變形的檢測(cè)儀器稱為疲勞試驗(yàn)機(jī)。

疲勞試驗(yàn)機(jī)優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)高的負(fù)載、高頻率、消耗低，從而大大減少了試驗(yàn)的周期，降低試驗(yàn)費(fèi)用，提高試驗(yàn)效率，成果顯著。疲勞試驗(yàn)機(jī)主要用于測(cè)定試件及機(jī)構(gòu)零件的拉伸變形、壓縮變形、扭轉(zhuǎn)變形、彎曲變形負(fù)荷下的試件材料的使用壽命和疲勞特性，觀察其疲勞斷裂后的端口，判定其材料特性、屬性。

科技的不斷進(jìn)步，試驗(yàn)效率提高，試驗(yàn)周期不斷縮短，高頻試驗(yàn)機(jī)不斷被更新研制。而作為高頻試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)力提供單元——驅(qū)動(dòng)單元，不斷更新改進(jìn)。壓電驅(qū)動(dòng)，利用壓電中振子與系統(tǒng)共振的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)高頻率（200Hz以上）、小振幅的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置。應(yīng)用于疲勞試驗(yàn)機(jī)中，形成壓電高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)微型化、高頻化、高精度化。而壓電疲勞試驗(yàn)機(jī)中作為動(dòng)力輸出單元，壓電驅(qū)動(dòng)裝置至關(guān)重要。

1壓電驅(qū)動(dòng)的國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

壓電體，又稱壓電晶體，常用壓電體包括鋯鈦酸鉛壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛鑭壓電陶瓷、鈮鎂鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。壓電體是科學(xué)技術(shù)發(fā)展中相對(duì)完善、優(yōu)秀的功能性材料之一。因其變形精準(zhǔn)可達(dá)納米級(jí)、響應(yīng)時(shí)間小于0.1ms、體積小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用到需要高精度加載、高頻率響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝備上。

國(guó)外對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)裝置的研究相比中國(guó)早些，日本長(zhǎng)崗技大研制一種兩個(gè)坐標(biāo)軸——X軸、z軸產(chǎn)生和在u方向產(chǎn)生轉(zhuǎn)角位移的壓電式微型驅(qū)動(dòng)器，日本生產(chǎn)技術(shù)研究所研制了兩種仿人步態(tài)直線位移式驅(qū)動(dòng)器，日本的橫土真一等人設(shè)計(jì)研究一種兩組壓電驅(qū)動(dòng)裝置疊堆在一起，帶動(dòng)一個(gè)錐形閥芯，形成了一個(gè)新的結(jié)構(gòu)——二位三通數(shù)字閥。德國(guó)Karlsruhe大學(xué)研制了幾種用于機(jī)器人單元的壓電驅(qū)動(dòng)裝置。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)研制了用于微飛行昆蟲(chóng)振翅電壓驅(qū)動(dòng)裝置。意大利Catania大學(xué)研制了三種原型的PLIF。

2壓電驅(qū)動(dòng)的國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)于壓電驅(qū)動(dòng)裝置研究起步相對(duì)比較晚，隨著科學(xué)發(fā)展，對(duì)于壓電驅(qū)動(dòng)裝置的研究越來(lái)越重視。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所研制壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)用于精密工作臺(tái)當(dāng)中。天津大學(xué)將壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)用于微給進(jìn)工作當(dāng)中，清華大學(xué)將壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)用于蠕動(dòng)式x-y-o的工作臺(tái)中。哈爾濱大學(xué)將壓電裝置應(yīng)用到一種旋轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)器中。吉林大學(xué)將壓電裝置應(yīng)用到微型馬達(dá)中。上海交通大學(xué)將壓電驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)用到管道機(jī)器人中。

3疲勞試驗(yàn)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

疲勞試驗(yàn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置類(lèi)型大概分為兩類(lèi)：一種是以電磁力為驅(qū)動(dòng)力，稱為電磁式；另一種是液壓系統(tǒng)為動(dòng)力系統(tǒng)，稱為電液伺服式。電液伺服式因其輸出載荷較大，工作平穩(wěn)，可靠，主要測(cè)試大型的構(gòu)件或者是能承受較大載荷的構(gòu)件，對(duì)其進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。但由于電液伺服式疲勞試驗(yàn)機(jī)所能提供較低的頻率，使其疲勞試驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，試驗(yàn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需求。電磁式疲勞試驗(yàn)機(jī)有著響應(yīng)速度快、位移動(dòng)態(tài)大等特點(diǎn)。但現(xiàn)有的疲勞試驗(yàn)機(jī)因?yàn)槠潋?qū)動(dòng)系統(tǒng)裝置的受磁阻和阻抗的影響，及時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能達(dá)到共振現(xiàn)象，但也提供不了高于200Hz的高頻率動(dòng)力源。

因此，新的驅(qū)動(dòng)裝置被應(yīng)用到疲勞試驗(yàn)機(jī)中——壓電驅(qū)動(dòng)裝置。形成以壓電晶體為驅(qū)動(dòng)源的高頻率的疲勞試驗(yàn)機(jī)。運(yùn)用壓電晶體振動(dòng)，產(chǎn)生系統(tǒng)共振現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)疲勞試驗(yàn)機(jī)的高頻率往復(fù)運(yùn)動(dòng)和振幅位移較小的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)疲勞試驗(yàn)的高頻率、高效率、實(shí)驗(yàn)周期短等特點(diǎn)。

4總結(jié)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的壓電驅(qū)動(dòng)研究現(xiàn)狀的闡述，將壓電驅(qū)動(dòng)裝置分為：結(jié)構(gòu)的組合——疊加型、振子的增加—雙晶片型、形狀的設(shè)計(jì)——鈸型、虹型和彈珠型。

簡(jiǎn)述壓電驅(qū)動(dòng)主要應(yīng)用的領(lǐng)域如下：

機(jī)械行業(yè)領(lǐng)域：精密機(jī)床的給進(jìn)，精準(zhǔn)度比較高，鎖緊裝置、振蕩器等。

精密器具領(lǐng)域：自動(dòng)化程度較高的焊接機(jī)械手、水下機(jī)器人、精密印刷機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

光學(xué)方面領(lǐng)域：在激光測(cè)量系統(tǒng)中的調(diào)制器、干涉及全息測(cè)量、光導(dǎo)纖維的定位。

醫(yī)療與生物學(xué)領(lǐng)域：生物材料微型操作器、震蕩發(fā)聲器、腎結(jié)石碎石治療機(jī)。

通過(guò)壓電驅(qū)動(dòng)發(fā)展的研究，舉例說(shuō)明將其應(yīng)用到疲勞試驗(yàn)機(jī)上，改進(jìn)了現(xiàn)有的兩大類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的模式（電磁式、電液伺服式）。壓電驅(qū)動(dòng)裝置的應(yīng)用，極大解決了疲勞試驗(yàn)機(jī)的高頻率化、輕量化、高精度化。為疲勞試驗(yàn)的測(cè)試工具的發(fā)展和測(cè)試手段的提高提供了良好的動(dòng)力。

我國(guó)壓電驅(qū)動(dòng)裝置的研究相對(duì)比較落后，科研發(fā)展研究與生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用相對(duì)脫節(jié)，在生產(chǎn)實(shí)際中運(yùn)用壓電驅(qū)動(dòng)裝置領(lǐng)域比較窄，應(yīng)拓寬應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮壓電驅(qū)動(dòng)裝置的特色、優(yōu)勢(shì)，使得產(chǎn)、學(xué)、研一體化endprint