壓電粘滑驅(qū)動器研究現(xiàn)狀與進展分析

程廷海, 高 琪, 李義康, 李恒禹, 何 猛, 盧曉暉

(1.長春工業(yè)大學 汽車工程研究院， 吉林 長春 130012;2.長春工業(yè)大學 機電工程學院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

具有微納米定位精度的壓電驅(qū)動技術是精密光學系統(tǒng)、微/納米制造、生物醫(yī)療工程、精密科學儀器等領域的支撐性技術之一。其中，基于粘滑驅(qū)動原理的壓電驅(qū)動器因具有結構簡單、精度高、行程大和無電磁干擾等特點得到了廣泛關注[1-3]。壓電粘滑驅(qū)動其實質(zhì)上是利用壓電元件的慣性驅(qū)動原理，實現(xiàn)動子的往復直線運動輸出。簡單概括為在非對稱鋸齒電壓信號激勵下，利用壓電振子的不對稱振動所造成的動、靜摩擦力之間的差異，以達到控制被驅(qū)動物體產(chǎn)生微小位移的目的[4-6]。

文中將首先介紹壓電粘滑驅(qū)動器的工作原理，然后從驅(qū)動器的新構型設計、激勵波形優(yōu)化設計、理論建模分析及控制方法研究等方面對其研究現(xiàn)狀進行論述，分析當前研究主要存在的問題，介紹近年來相關研究工作的最新進展。

1 壓電粘滑驅(qū)動器工作原理

典型的壓電粘滑驅(qū)動原理與過程示意圖如圖1所示。

圖1 壓電粘滑驅(qū)動原理與過程示意圖

壓電粘滑驅(qū)動器在工作過程中主要采用非對稱鋸齒波對壓電堆疊進行緩慢與快速交替激勵，利用逆壓電效應激發(fā)定子(圖中定子由壓電堆疊與摩擦桿構成)產(chǎn)生緩慢與快速交替的運動變形，使得定子與動子(圖中動子為滑塊)處于“粘”和“滑”兩種運動狀態(tài)，在摩擦力作用下實現(xiàn)機械運動輸出[7]。

壓電粘滑驅(qū)動器在一個運動周期內(nèi)的工作過程可描述為以下幾個階段：

1)當t=0時刻，壓電堆疊未得電，壓電堆疊的伸長量為零，此時滑塊與摩擦桿處于靜止狀態(tài)。

2)當t=t0-t1時段，壓電堆疊在電信號激勵下緩慢伸長，定子在靜摩擦驅(qū)動力作用下“粘”住動子一起運動，向右產(chǎn)生一段微小的距離Ds。

3)在t=t1-t2時段，壓電堆疊迅速收縮至初始長度，此時動子所受滑動摩擦阻力與其運動方向相反。因此，當慣性力不足時，動子將產(chǎn)生向左的回退位移Db。驅(qū)動器的有效輸出步距De大小為Ds-Db。重復上述周期性激勵，可實現(xiàn)驅(qū)動器宏觀上的連續(xù)運動輸出。

2 壓電粘滑驅(qū)動器的研究現(xiàn)狀

近年來，壓電粘滑驅(qū)動器在新構型設計、激勵波形優(yōu)化設計、理論建模分析以及控制方法等幾個方面得到了廣泛研究，文中將圍繞這幾個方面著重進行論述。

2.1 驅(qū)動器新構型設計

從驅(qū)動器的新構型設計研究角度來講，由于新構型設計靈活，國內(nèi)外學者們開展大量研究工作。2004年，國內(nèi)學者程光明等[8]采用雙壓電晶片振子為移動機構的驅(qū)動源，提出了一種新型二維壓電驅(qū)動機構。該機構是通過控制機構驅(qū)動足產(chǎn)生的驅(qū)動力與接觸面間的摩擦力共同作用實現(xiàn)機構的定向運動。此外，2006年研制了粘滑型實驗裝置樣機，壓電薄膜精密運動平臺試驗樣機如圖2所示。

圖2 壓電薄膜精密運動平臺試驗樣機

圖中，當驅(qū)動電壓低于30 V 時，步距誤差不超過0.5 μm，承載能力約為自重的7～8倍[9]。

2006年，加拿大學者Zhang等[10]利用粘滑驅(qū)動原理設計了一種多自由度壓電粘滑驅(qū)動器，如圖3所示。

圖3 二維壓電粘滑驅(qū)動器結構示意圖

該驅(qū)動器包括執(zhí)行機構輸出軸、摩擦套、摩擦環(huán)、摩擦片和壓電陶瓷驅(qū)動器等部分。其中，該驅(qū)動器的直線運動可通過一個壓電陶瓷驅(qū)動器實現(xiàn)，而旋轉(zhuǎn)運動可通過兩個壓電陶瓷反方向伸縮帶動輸出軸旋轉(zhuǎn)，并搭建驅(qū)動器的實驗測試系統(tǒng)，進行了實驗研究。實驗結果表明，驅(qū)動器具有較好的輸出性能。

2009年，國內(nèi)學者馮志華等利用纖維扭轉(zhuǎn)式驅(qū)動器研制了具有較高定位精度和運動分辨率的旋轉(zhuǎn)式微型壓電粘滑驅(qū)動器[11-12]，如圖4所示。

該驅(qū)動器可實現(xiàn)較好的運動輸出。在直線驅(qū)動器方面，利用一種基于簡諧振動合成的共振型鉗位機構設計了壓電直線型驅(qū)動器[13-14]，通過調(diào)節(jié)機構尺寸來分別匹配共振頻率比為1∶3∶5和1∶2。實驗結果表明，該類驅(qū)動器可實現(xiàn)較好性能輸出。

圖4 纖維扭轉(zhuǎn)式壓電粘滑驅(qū)動器

2012年，日本學者Morita等[15]提出了一種共振型壓電粘滑驅(qū)動器，該驅(qū)動器結構簡單，并且利用的共振模式可實現(xiàn)高輸出功率。

并于2013年利用壓電堆疊設計了共振型桿式壓電粘滑驅(qū)動器，當定子與動子間的預緊力為270 mN時，在1.6 V電壓下，驅(qū)動器可獲得的空載速度為40 mm/s，該壓電驅(qū)動器具有較好的低電壓特性，同時較好地抑制了驅(qū)動器的產(chǎn)熱量[16]。

共振型壓電粘滑驅(qū)動器如圖5所示。

圖5 共振型壓電粘滑驅(qū)動器

2013年，立陶宛學者Mazeika等[17]利用壓電雙晶片作為驅(qū)動源設計了一種壓電粘滑線性驅(qū)動裝置，驅(qū)動裝置樣機的實物照片如圖6所示。

在鋸齒和脈沖信號激勵下，驅(qū)動裝置具有較好的輸出特性。當脈沖信號的頻率為153.37 Hz時，輸出的平均速度最大。該驅(qū)動器的輸出位移和速度主要取決于接觸面間的滑動摩擦阻力，接觸面間的滑動摩擦阻力越大，輸出位移與速度越小。

圖6 壓電粘滑線性驅(qū)動裝置

2013年，國內(nèi)學者趙宏偉等[18]基于鉗式結構寄生運動原理設計并研制一種旋轉(zhuǎn)型壓電粘滑驅(qū)動器，驅(qū)動器樣機結構如圖7所示。

圖7 旋轉(zhuǎn)型壓電粘滑驅(qū)動器

該壓電驅(qū)動器的最小分辨率為0.7 μrad?；诩纳\動原理研制一種直線壓電粘滑驅(qū)動器[9-21]。在先前研究工作的基礎上，2015年，基于側向運動原理研制一種壓電粘滑驅(qū)動器[22]，該驅(qū)動器在實現(xiàn)大行程的同時兼具較高的分辨率。該驅(qū)動器的最大輸出速度能夠達到14.25 mm/s，最大輸出力為3.43 N，最小步位移約為0.04 μm。此外，還研制了一種旋轉(zhuǎn)型壓電粘滑驅(qū)動器，該驅(qū)動器能夠?qū)崿F(xiàn)雙伺服納米定位臺的宏-微復合定位[23]，其最大速度為32 000 μrad/s，旋轉(zhuǎn)分辨率約為1.54 μrad。在2017年，又基于耦合運動設計并研制了新型驅(qū)動原理的壓電粘滑驅(qū)動器，實驗結果表明,驅(qū)動器可實現(xiàn)較理想的運動輸出[24]。

2017年，國內(nèi)學者榮偉斌等[25]研制一種新型旋轉(zhuǎn)式壓電粘滑驅(qū)動器，如圖8所示。

圖8 新型旋轉(zhuǎn)式壓電粘滑驅(qū)動器

該驅(qū)動器基于壓電堆疊和柔性鉸鏈機構共同作用實現(xiàn)驅(qū)動，壓電堆疊產(chǎn)生的微位移可通過柔性鉸鏈機構進行放大，在保證較高分辨率的同時，實現(xiàn)較大的行程輸出，柔性鉸鏈機構致使定子與轉(zhuǎn)子間處于靜摩擦驅(qū)動力與滑動摩擦阻力交替變化狀態(tài)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的運動輸出。通過調(diào)節(jié)輸入電壓和頻率，以實現(xiàn)不同的驅(qū)動器速度輸出。驅(qū)動器的分辨率為0.75 μrad，最大負載能力為74 N。

2017年，國內(nèi)學者范尊強等[26]研制了一種雙堆疊共同驅(qū)動式直線壓電粘滑驅(qū)動器，該裝置主要由橋式柔性鉸鏈機構和平行四邊形柔性鉸鏈機構復合而成，將兩個壓電堆疊的變形分別放大作用于滑塊，壓電堆疊B用于產(chǎn)生沿著導軌方向的驅(qū)動，壓電堆疊A產(chǎn)生垂直于導軌方向的力，用于預緊力調(diào)節(jié)，如圖9所示。

圖9 雙堆疊驅(qū)動式壓電粘滑驅(qū)動器

實驗結果表明，該驅(qū)動器可實現(xiàn)大行程直線運動，最小步長為0.29 μm，最大速度可達3.27 mm/s。

2.2 驅(qū)動器波形優(yōu)化設計

從驅(qū)動器激勵波形優(yōu)化設計角度來講，當前壓電粘滑驅(qū)動器主要是利用非對稱鋸齒波的緩慢和快速交替通電來激發(fā)定、動子間產(chǎn)生“粘”與“滑”兩種工作狀態(tài)，通過分析該鋸齒波電信號激勵下驅(qū)動器的粘滑運動原理可知，在壓電粘滑的快速變形驅(qū)動階段，該鋸齒波電信號的輸入將會顯著削弱其驅(qū)動器輸出性能。并在此基礎上，逐步發(fā)展出梯形波、擺線波以及指數(shù)波等激勵波形。

2012年，國內(nèi)學者陸輕鈾等[27]研究了不同波形激勵下壓電粘滑驅(qū)動器的輸出特性規(guī)律，如優(yōu)化的鋸齒波、梯形波和擺線波等。結果表明,在緩慢變形與快速變形交替的過渡階段，通過對激勵電信號施加適當?shù)臅r間延遲，可抑制驅(qū)動器位移回退運動的產(chǎn)生，提升驅(qū)動器的有效步距，進而提升其速度和負載等輸出性能。壓電粘滑驅(qū)動器的典型激勵波形電信號如圖10所示。

圖10 壓電粘滑驅(qū)動器的典型激勵信號

2012年，捷克學者Neuman等[28]采用冪函數(shù)激勵電信號對壓電陶瓷剪切片進行激勵，提升了壓電粘滑驅(qū)動器的機械輸出性能。除了捷克學者提出的冪函數(shù)電信號之外，當前壓電粘滑驅(qū)動器采用的幾種典型激勵電信號波形如圖11所示。

圖11 當前壓電粘滑驅(qū)動器采用的激勵電信號

2.3 驅(qū)動器理論建模分析

由于壓電粘滑驅(qū)動器主要依靠滑動摩擦阻力與靜摩擦驅(qū)動力的相互轉(zhuǎn)換致使定、動子間處于“粘”與“滑”兩種運動狀態(tài)，建立了粘滑理論等效模型，研究了其摩擦調(diào)控機理。2011年，德國學者Edeler等基于彈塑性理論建立粘滑驅(qū)動原理不同運動階段等效運動狀態(tài)模型和機械系統(tǒng)等效動力學模型。實驗測試較好證明了該粘滑理論分析結果的正確性[29-30]。粘滑原理不同階段等效模型如圖12所示。

圖12 粘滑原理不同階段等效模型

機械系統(tǒng)的等效動力學模型如圖13所示。

圖13 機械系統(tǒng)等效動力學模型

2013年，德國學者Hunstig等建立了壓電粘滑驅(qū)動器定、動子間摩擦力的動力學仿真模型，并搭建了驅(qū)動器的實驗測試系統(tǒng)，通過數(shù)值模擬和實驗研究方式對壓電粘滑驅(qū)動器的摩擦特性進行了分析；隨后又對壓電粘滑驅(qū)動器緩慢與快速變形驅(qū)動階段的運動狀態(tài)進行研究，揭示了緩慢與快速變形驅(qū)動階段輸出特性的影響因素及其作用規(guī)律，指出在快速變形驅(qū)動階段產(chǎn)生的滑動摩擦阻力是導致驅(qū)動器產(chǎn)生位移回退運動的主要原因[31-35]。壓電粘滑驅(qū)動器定、動子間的受力分析如圖14所示。

圖14 定動子間受力分析示意圖

接觸面間的粘滑驅(qū)動等效力學模型如圖15所示。

圖15 粘滑驅(qū)動等效力學模型

2.4 驅(qū)動器控制方法研究

從驅(qū)動器控制方法研究角度來講，為保證壓電粘滑驅(qū)動器有著良好的運動性能，基于PID反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)得到廣泛應用；1998年，Breguet等[36]采用數(shù)字頻率比例控制器，將位移誤差轉(zhuǎn)換并反饋給時間信號，使頻率與誤差成比例，計數(shù)器輸出信號根據(jù)誤差增減，當?shù)竭_期望位置時，頻率趨向于零。此外，在壓電粘滑驅(qū)動器控制系統(tǒng)中，通常會將前饋控制和反饋控制結合使用，以達到更好的控制精度[37-39]。

2008年，Rakotondrabe等[40]提出電壓/頻率(U/f)比例控制方法，通過電壓飽和函數(shù)和頻率飽和函數(shù)來避免產(chǎn)生過電壓以及使驅(qū)動系統(tǒng)在頻率的線性范圍內(nèi)工作，選擇控制方式，電壓U和頻率f與誤差ε的比例系數(shù)；KU和Kf同經(jīng)典比例控制相同，通過仿真和實驗得出控制器穩(wěn)定性較高，特別是在頻率控制下系統(tǒng)穩(wěn)定時誤差趨于零，精度很高。

2018年，中科院研究所Cheng等[41]提出一種可實現(xiàn)壓電粘滑驅(qū)動裝置精密控制的智能神經(jīng)網(wǎng)絡控制方法。首先，通過建立神經(jīng)網(wǎng)絡模型對驅(qū)動裝置末端執(zhí)行器與被驅(qū)動物體間的相對運動進行捕獲，實現(xiàn)整個驅(qū)動過程的精密控制。然后，開發(fā)了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法的逆向模型，在末端執(zhí)行器預先標定的前提下，在線計算壓電執(zhí)行器的理想位置。最后，采用一種基于動態(tài)線性化神經(jīng)網(wǎng)絡的模型預測控制方法，有效地處理驅(qū)動器控制過程中存在的遲滯和非線性等特性，實現(xiàn)了壓電執(zhí)行器的位移控制，最終獲取了一種高精度的控制器。研制了壓電粘滑驅(qū)動裝置的原型樣機，通過實驗驗證了提出新方法的可行性。

綜上所述，上述研究學者已經(jīng)在壓電粘滑驅(qū)動器新構型設計、波形優(yōu)化設計、理論建模分析及控制方法研究等方面取得了較好的研究成果，并且得出驅(qū)動器定、動子間的摩擦力是影響驅(qū)動器輸出性能的關鍵因素。

3 壓電粘滑驅(qū)動器的研究進展

壓電粘滑驅(qū)動器工作過程受力分析和典型位移輸出曲線如圖16所示。

圖16 壓電粘滑驅(qū)動器工作過程受力分析和典型位移輸出曲線

由圖16可以看出，在緩慢變形驅(qū)動階段，定、動子間的靜摩擦力為驅(qū)動力，此階段增大靜摩擦驅(qū)動力將會提出驅(qū)動器輸出性能；在快速變形驅(qū)動階段，定、動子間的滑動摩擦力為阻力，此階段減小動摩擦阻力將會改善驅(qū)動器輸出性能。

在壓電粘滑驅(qū)動過程中，增大緩慢變形階段的靜摩擦驅(qū)動力，同時減小快速變形驅(qū)動階段的滑動摩擦力是提升驅(qū)動器輸出性能的關鍵。基于此，具有摩擦調(diào)控功能的壓電粘滑驅(qū)動器研究成為當前研究熱點。針對壓電粘滑驅(qū)動器摩擦力調(diào)控困難的問題，研究學者主要從驅(qū)動器的新材料制備、驅(qū)動方法和新構型設計等方面對壓電粘滑驅(qū)動器進行研究。

3.1 定/動子接觸面新材料制備方面

2012年，加拿大學者Chen等[42]嘗試采用化學微加工方式對定子與動子接觸表面進行處理，研制出一種具有各向異性摩擦接觸表面的壓電粘滑驅(qū)動器。其研制的壓電粘滑驅(qū)動器樣機與輸出位移測試結果如圖17所示。

從位移曲線可以看出，由于驅(qū)動器定、動子接觸面間采用了具有各向異性材料特性的摩擦接觸表面，改變了驅(qū)動過程中定子與動子接觸面間的摩擦狀態(tài)，在單方向驅(qū)動時(論文表述為正向)顯著提升了驅(qū)動器的輸出性能，減小了位移回退。

3.2 壓電粘滑復合驅(qū)動方法

2016年，針對當前壓電粘滑驅(qū)動器普遍存在的位移回退運動問題，國內(nèi)學者程廷海等提出了基于超聲減摩效應的壓電粘滑復合驅(qū)動方法[43-46]，復合驅(qū)動方法的工作原理和輸出位移特性測試結果如圖18所示。

圖17 文獻[42]研制的壓電粘滑驅(qū)動器樣機與輸出位移測試結果

圖18 壓電粘滑復合驅(qū)動方法工作原理與輸出位移測試結果

該新方法可通過復合驅(qū)動波形實現(xiàn)，具體包括鋸齒波和正弦波，通過將微幅高頻正弦波耦合施加到鋸齒波的快速變形驅(qū)動階段，激發(fā)定子在快速變形驅(qū)動階段處于微幅高頻振動狀態(tài)，基于超聲減摩效應降低了驅(qū)動器定子和動子間的滑動摩擦阻力，實現(xiàn)了驅(qū)動過程中摩擦力的綜合調(diào)控，顯著抑制了驅(qū)動器的位移回退，提升了驅(qū)動器的速度和負載特性。實驗結果表明，相比于傳統(tǒng)鋸齒驅(qū)動方法，提出的復合驅(qū)動新方法可將驅(qū)動器的位移回退降低至20%以下。

3.3 結構非對稱式壓電粘滑驅(qū)動器

2017年，國內(nèi)學者程廷海等[47]針對已有壓電粘滑驅(qū)動器較難實現(xiàn)對緩慢與快速變形驅(qū)動階段摩擦力進行綜合調(diào)控，限制其輸出性能這一共性問題，提出一種結構非對稱式壓電粘滑驅(qū)動器。研制的壓電粘滑驅(qū)動器樣機與輸出位移測試結果如圖19所示。

通過將非對稱柔性鉸鏈機構引入定子結構設計，使得定子軸向剛度分布不均，激發(fā)定子驅(qū)動足產(chǎn)生側向位移實現(xiàn)驅(qū)動，并調(diào)整定子與動子間的軸向接觸正壓力，實現(xiàn)對緩慢與快速變形驅(qū)動階段摩擦力的綜合調(diào)控，提升壓電粘滑驅(qū)動器的整機輸出力與速度能力。實驗結果表明，結構非對稱式壓電粘滑驅(qū)動器的最佳工作頻率為500 Hz，最大輸出速度可達5.96 mm/s，開環(huán)條件下最小位移分辨率為50 nm，最大負載為3 N，樣機的最大效率為0.90%。

圖19 壓電粘滑驅(qū)動器樣機與輸出位移測試結果

4 結 語

介紹了壓電粘滑驅(qū)動器的工作原理，總結了當前壓電粘滑驅(qū)動器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，得出當前研究工作主要集中在驅(qū)動器的新構型設計、激勵波形優(yōu)化設計、建模理論分析和控制方法研究等方面。針對當前壓電粘滑驅(qū)動器存在的摩擦力綜合調(diào)控困難等問題，從驅(qū)動器的新材料制備、驅(qū)動方法設計和新構型設計等方面論述了壓電粘滑驅(qū)動器的最新研究進展。