直線超聲馬達(dá)研究進(jìn)展

張彥虎，曲建俊

(1.江蘇大學(xué) 先進(jìn)制造與現(xiàn)代裝備技術(shù)工程研究院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

超聲馬達(dá)(USM)作為新型驅(qū)動(dòng)元器件，具有功率密度大,低速大推力,結(jié)構(gòu)緊湊,慣性小而響應(yīng)快,運(yùn)行低噪聲、無/抗電磁干擾及斷電自鎖等優(yōu)點(diǎn)，在照相機(jī)[1]、汽車工業(yè)[2]、航空航天[3]、機(jī)器人[4-5]、醫(yī)療/生物工程[6]、微型機(jī)械[7-8]和精密定位[9-10]等高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣。USM按照定、動(dòng)子接觸情況可分為非接觸型超聲馬達(dá)和接觸型超聲馬達(dá)。雖然前者在某些方面特點(diǎn)顯著，類型多樣，如雷諾剪切力驅(qū)動(dòng)型[11-12]、輻射壓力驅(qū)動(dòng)型[13]、壓電-電流變步進(jìn)馬達(dá)[14]等，但接觸型馬達(dá)為目前直線馬達(dá)的主要發(fā)展方向。直線超聲馬達(dá)(LUSM)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為彈性體超聲頻域內(nèi)的微幅機(jī)械振動(dòng)，通過彈性體表面的共振放大，在接觸配副(定子和動(dòng)子)界面間以摩擦作用驅(qū)動(dòng)動(dòng)子實(shí)現(xiàn)宏觀直線運(yùn)動(dòng)。LUSM具有許多優(yōu)勢[15-16]，使LUSM成為國內(nèi)、外微特驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域重要的研究熱點(diǎn)。如今LUSM發(fā)展迅速，驅(qū)動(dòng)原理趨于多樣化[17-18]，應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛[19]。本文概述近十幾年來LUSM的發(fā)展現(xiàn)狀，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、接觸模型、非線性、能量損耗等方面進(jìn)行了分析，以期對(duì)進(jìn)一步研究提供一些有益的參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LUSM通常由壓電陶瓷塊(板形、環(huán)形及其堆疊)、彈性振子、夾持裝置、控制電路和托板及導(dǎo)軌支架等零部件組成，對(duì)這些零部件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)能有效提升馬達(dá)性能。實(shí)現(xiàn)超聲馬達(dá)本體結(jié)構(gòu)更簡單，作動(dòng)/驅(qū)動(dòng)功能增強(qiáng)，工作效率及穩(wěn)定性提高，是LUSM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)和任務(wù)。

LUSM根據(jù)壓電陶瓷的工作模式可分為貼片式、螺栓壓緊式和壓電堆疊型等類型。貼片式壓電超聲馬達(dá)因其結(jié)構(gòu)簡單和制作成本低等優(yōu)勢而被廣為研究和討論。船洼友龜?shù)萚20]研發(fā)的自行式直線超聲馬達(dá)(見圖1)，利用一階縱振和二階彎振復(fù)合實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，矩形板振子的多部位驅(qū)動(dòng)省去了以往必要的驅(qū)動(dòng)平臺(tái)和可動(dòng)導(dǎo)軌。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)元件預(yù)壓在滑動(dòng)板上，這種直接接觸方式強(qiáng)化了橢圓效果，提高了驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)性能穩(wěn)定。圖中，B-,B+,A-,A+為兩路接線端子。

對(duì)粘貼于梁上的壓電陶瓷片施加適當(dāng)頻率的單相交變電壓，就激發(fā)動(dòng)子的一階彎曲振動(dòng)；驅(qū)動(dòng)足不設(shè)計(jì)在波腹或波節(jié)處，產(chǎn)生的是斜直線運(yùn)動(dòng)[21]。市川茂等設(shè)計(jì)了一種臥式直線超聲馬達(dá)[22](見圖2)，對(duì)其他輸出機(jī)構(gòu)有良好的接口，可廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線中加工、裝配和裝拆工件等的機(jī)器手，工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械，汽車和電子工業(yè)等場合。李朝東等[23]報(bào)道了改進(jìn)型的微型化超聲馬達(dá)，其結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)過優(yōu)化而達(dá)到36 mm×5 mm×4 mm，并證實(shí)多片布置方案增大了輸出端的振動(dòng)位移。一種利用d33模式工作的多齒驅(qū)動(dòng)足線性壓電馬達(dá)，輸出速度達(dá)17.6 cm/s，驅(qū)動(dòng)力為0.34 N[24]，可用于高速精密場合。

圖2 臥式直線超聲馬達(dá)

Piotr等[25]開發(fā)了一種軸式慣性直線超聲馬達(dá)。鋸齒形脈沖電壓激勵(lì)使彈性體發(fā)生彎曲振動(dòng)，再將振動(dòng)能量傳遞給可動(dòng)軸，利用慣性原理驅(qū)動(dòng)套在軸上的移動(dòng)體發(fā)生直線運(yùn)動(dòng)。該型馬達(dá)簡化了制造工藝，實(shí)用性強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)越，反沖小而工作狀態(tài)穩(wěn)定。采用粉末注射成形技術(shù)，Yoon等[26]制作出一種基于慣性位移原理的圓頂形線性壓電馬達(dá)(見圖3)，性能良好。圖中，D為壓電陶瓷片外徑。

圖3 慣性直線超聲馬達(dá)

圖4 梯形振子直線超聲馬達(dá)

德國Physik Instrumente公司開發(fā)了一種具有等腰梯形振子的直線超聲馬達(dá)[27](見圖4)。以直線導(dǎo)軌作為運(yùn)動(dòng)部件，采用具有楔形增力的等腰板形振子，解決振子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，定位精度低和小型化難等問題。金家楣等報(bào)道了一種同頻信號(hào)激勵(lì)的方板雙模作動(dòng)直線馬達(dá)，獲得了良好的輸出速度和推力[28]。

為了提升超聲馬達(dá)總體性能，一方面優(yōu)化定、動(dòng)子結(jié)構(gòu)，另一方面結(jié)合實(shí)驗(yàn)調(diào)整夾持條件，尤其是裝配預(yù)緊力對(duì)直線超聲馬達(dá)工作性能具有重要影響。在馬達(dá)工作時(shí)，夾持裝置因動(dòng)子對(duì)定子高頻沖擊的反作用、定子支撐面處的高頻振動(dòng)和接觸面粗糙峰誘導(dǎo)低頻振動(dòng)等影響而處于振動(dòng)狀態(tài)。通過對(duì)于會(huì)民等[29]開展的彈性夾持結(jié)構(gòu)系列的研究(柔性鉸鏈、雙層板簧和三滾子結(jié)構(gòu)等)，進(jìn)一步將柔性鉸鏈進(jìn)行改進(jìn)[30]，減小了因定子裝配產(chǎn)生的附加應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了超聲馬達(dá)夾持位移與預(yù)壓力成線性關(guān)系。面向不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求，復(fù)合模態(tài)工作的直線超聲馬達(dá)已有縱-彎復(fù)合型、縱-扭復(fù)合型、縱-縱復(fù)合型和彎-彎復(fù)合型等多種形式，并開始向高性能、微小型、模塊化、智能化方向發(fā)展。

2 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模型

目前，已產(chǎn)生多種直線超聲馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)原理，如蠕動(dòng)型(尺蠖型)、行波型、駐波型、聲表面波型及復(fù)合型等，但駐波型直線超聲馬達(dá)因具有多種優(yōu)勢更引人關(guān)注。超聲馬達(dá)是以摩擦耦合彈性體觸頭的橢圓運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)宏觀驅(qū)動(dòng)，基于庫倫摩擦模型，切向驅(qū)動(dòng)力(Fτ)與法向壓力(FN)之間滿足如下關(guān)系：

Fτ=μ(t)·FN(t)

(1)

式中μ(t)為時(shí)變摩擦系數(shù)，其受摩擦材料物化性能和定動(dòng)子接觸過程的影響。在超聲馬達(dá)中，振動(dòng)場內(nèi)的μ較小[31-32]，但普遍認(rèn)為μ不是簡單地服從普通滑動(dòng)條件下的上述關(guān)系，而是一個(gè)多物理參量影響的因變量，為時(shí)間函數(shù)。FN包括預(yù)壓力和動(dòng)子體自重，馬達(dá)在穩(wěn)態(tài)工作階段時(shí)，其值與超聲振動(dòng)產(chǎn)生的支撐力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

駐波超聲馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)模型與行波馬達(dá)在宏觀上顯著不同、微觀上相似(見圖5)，接觸部位個(gè)數(shù)少且接觸面積小，接觸間隙長，沖擊磨損大和犁溝作用強(qiáng)，使駐波超聲馬達(dá)的磨損問題更突出(頻率為20 kHz的超聲波在固體中的波長約為20 cm，對(duì)于駐波馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)觸頭輪廓尺寸而言，該參數(shù)已足夠大以至于接觸長度不足1/4波長)。假設(shè)定子驅(qū)動(dòng)頭為弧面，動(dòng)子導(dǎo)軌上粘貼有摩擦材料層(或表面粘性處理層)。在時(shí)-空域內(nèi)，單足駐波直線超聲馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)頭在Ti時(shí)刻時(shí)與動(dòng)子部位I接觸，在Tj時(shí)刻時(shí)與動(dòng)子部位II接觸。期間，驅(qū)動(dòng)頭微觀地做高頻振動(dòng)，表面形成橢圓軌跡，而宏觀上由于摩擦粘著與粘彈性遲滯使其表觀上做水平往復(fù)左右擺動(dòng)，這種擺動(dòng)性接觸使動(dòng)子不斷獲得切向的摩擦力，從而不斷地輸送動(dòng)子材料微粒做定向運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)水平驅(qū)動(dòng)。圖中，vr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)線速度,vw為行波速度,vs為動(dòng)子運(yùn)動(dòng)速度,vh為驅(qū)動(dòng)足端部質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度水平分量,vv為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度豎直分量。

圖5 超聲馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)理的比較

在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)建模方面，目前較廣泛地被接受的驅(qū)動(dòng)模型有滾子平板模型[33]、有限元分析模型[34-35]、等效電路模型[36]、沖量分析模型[37]和能量法解析模型[38]等，不同模型各自的特點(diǎn)影響其應(yīng)用。表1為幾種超聲馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模型的比較。

表1 幾種超聲馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模型的比較

3 非線性問題

直線超聲馬達(dá)存在復(fù)雜的非線性問題[39]，涉及到多個(gè)學(xué)科，自然成為一個(gè)典型且復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，如圖6所示。在結(jié)構(gòu)方面，超聲馬達(dá)在工作時(shí)動(dòng)子對(duì)定子高頻沖擊存在反作用力，且支撐定子的基體或支架聯(lián)接處存在高頻振動(dòng)，機(jī)械聯(lián)接間隙使其進(jìn)一步發(fā)生時(shí)空延續(xù)。同時(shí)，接觸界面間需粘貼柔性材料，因此，粘結(jié)層會(huì)破壞原有的線彈性關(guān)系，而膠層人工完成，無法保證其均勻性，膠層和材料間的空隙又阻礙了從壓電堆疊層向彈性體之間的線性過渡。

圖6 直線超聲馬達(dá)中的非線性問題

在材料方面，有限振幅的超聲波在固體中傳播時(shí)伴隨高次諧波的出現(xiàn)，波形會(huì)發(fā)生畸變，最終導(dǎo)致波陣面的間斷。另外，彈性定子體內(nèi)部有位錯(cuò)缺陷，由于預(yù)壓力和超聲波動(dòng)作用，位錯(cuò)線段經(jīng)非線性振蕩，進(jìn)一步引起晶體的附加應(yīng)力[40]。壓電陶瓷中的微小裂紋對(duì)馬達(dá)的性能和壽命有重要的影響[41]，過高的溫度會(huì)使陶瓷的壓電性消失，過高的電源電壓會(huì)讓陶瓷擊穿。超聲馬達(dá)啟動(dòng)前，在高頻電壓的激勵(lì)下電容和電感中的電子非均勻聚集產(chǎn)生非穩(wěn)態(tài)電場，影響壓電陶瓷的瞬態(tài)響應(yīng)。馬達(dá)啟動(dòng)后運(yùn)行一段時(shí)間，由于超聲振動(dòng)的熱效應(yīng)和摩擦作用，使定子體產(chǎn)生足夠大的熱量，進(jìn)而通過改變摩擦材料的物化性能而影響界面接觸性能，同時(shí)熱量順勢傳遞到壓電體而使壓電陶瓷發(fā)生部分退極化現(xiàn)象。

在原理方面，超聲馬達(dá)的工作原理決定了摩擦磨損在超聲馬達(dá)研究中的地位。從圖6中可看出，摩擦材料的摩擦磨損及其熱效應(yīng)將影響著馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)和使用。另外，定、動(dòng)子間的摩擦驅(qū)動(dòng)是遵循某種類橢圓軌跡的撥動(dòng)性接觸，而這種接觸頻率很高，接觸力足夠大，微觀層面的累積實(shí)現(xiàn)動(dòng)子的完全驅(qū)動(dòng)。固然，馬達(dá)的正常驅(qū)動(dòng)過程就是定、動(dòng)子間具有偏斜角的高頻沖擊磨損過程。

在控制方面，壓電材料的遲滯阻尼會(huì)引起超聲馬達(dá)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)滯后和共振頻率漂移等非線性問題[42]。實(shí)驗(yàn)研究表明，輸出電流中會(huì)出現(xiàn)混頻，而各次諧波幅值隨著外部輸入電壓的變化時(shí)會(huì)發(fā)生飽和現(xiàn)象[43]。

4 噪聲與能耗

超聲馬達(dá)工作于超頻聲域，不在人類耳膜的敏感范圍(16～20 Hz，16 000～20 000 Hz)內(nèi)，人們接受其“安靜運(yùn)行”的特點(diǎn)。然而，因摩擦作用的存在，誘發(fā)接觸界面處質(zhì)點(diǎn)的自激振動(dòng)及摩擦噪聲，噪聲不能完全消除?，F(xiàn)代摩擦學(xué)也認(rèn)為，摩擦力與滑動(dòng)速度關(guān)系曲線的負(fù)斜率特性誘發(fā)自激振動(dòng)而產(chǎn)生摩擦噪聲[44]。實(shí)驗(yàn)研究中，超聲馬達(dá)啟動(dòng)和運(yùn)行階段也存在該情形。噪聲一方面消耗能量，另一方面直接影響接觸的臨界穩(wěn)態(tài)性能。

超聲馬達(dá)驅(qū)動(dòng)接觸副元件，選用不同材料時(shí)產(chǎn)生不同噪聲分貝，預(yù)壓力不但影響噪聲大小，也影響噪聲主頻。摩擦材料、預(yù)壓力、接觸面積、壓電激勵(lì)頻率和驅(qū)動(dòng)電路等因素均會(huì)影響超聲馬達(dá)噪聲[45]。通過希爾伯特-黃變換分析可知，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)非線性產(chǎn)生的分?jǐn)?shù)次諧波是誘發(fā)噪聲的直接原因[46]。進(jìn)一步來說，超聲馬達(dá)噪聲是由接觸副的摩擦自激振動(dòng)引起，增大預(yù)壓力可以減小噪聲強(qiáng)度[47]。另外，摩擦材料的硬度和剛度對(duì)馬達(dá)噪聲和驅(qū)動(dòng)性能的影響不一致。材料較硬則滑動(dòng)摩擦較大，噪聲較大；材料較軟時(shí)噪聲較小，驅(qū)動(dòng)力也較小。

噪聲問題和能量損失是制約超聲馬達(dá)性能和效率提升的關(guān)鍵問題。根據(jù)噪聲產(chǎn)生機(jī)理，認(rèn)為超聲馬達(dá)的噪聲貫穿于機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力噪聲和電磁噪聲，但其比例不同。每種噪聲均存在較復(fù)雜的場內(nèi)變化，包括定、動(dòng)子結(jié)構(gòu)(及其配合間隙、加工精度)、功能材料(壓電材料、摩擦材料)、機(jī)電控制(包括阻抗匹配)等因素，其網(wǎng)絡(luò)關(guān)系如圖7所示。

圖7 直線超聲馬達(dá)噪聲映射圖

同樣，能量損失發(fā)生于能量轉(zhuǎn)換過程，對(duì)于直線超聲馬達(dá)而言，在電能通過壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為彈性振動(dòng)能的過程中，將產(chǎn)生振動(dòng)聲能、變形和熱等；在彈性振動(dòng)能通過摩擦耦合轉(zhuǎn)化為宏觀線性運(yùn)動(dòng)的過程中，會(huì)涉及到較復(fù)雜的摩擦過程；馬達(dá)運(yùn)行過程中磨損和塑性變形會(huì)引起能量的二重?fù)p失。此外，各種形式伴生的熱能是超聲馬達(dá)產(chǎn)生能量損耗最重要的途徑。具體映射關(guān)系如圖8所示。

圖8 直線超聲馬達(dá)的能量流

5 結(jié)束語

概述了近十幾年來直線超聲馬達(dá)的研究進(jìn)展，討論了超聲馬達(dá)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、摩擦接觸建模、非線性問題和能耗及噪聲等關(guān)鍵問題。放眼未來，直線超聲馬達(dá)的理論研究會(huì)得到更迅速的發(fā)展，將更廣泛地促進(jìn)實(shí)際應(yīng)用，也將助推產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。