尺蠖型壓電驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)及其特性

華順明，曹 旭，王義強(qiáng)，劉立君，李繼強(qiáng)

(1.浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院 機(jī)電與能源工程學(xué)院，浙江 寧波 315100；2.浙江大學(xué) 制造技術(shù)及裝備自動(dòng)化研究所，浙江 杭州 310027)

0 引言

尺蠖型壓電驅(qū)動(dòng)器是利用壓電體的微小振動(dòng)位移，模仿自然界生物的尺蠖運(yùn)動(dòng)原理形成連續(xù)精密步進(jìn)輸出而得名，具有結(jié)構(gòu)緊湊，驅(qū)動(dòng)力大，精度較高，響應(yīng)迅速，功耗低和工作頻帶較寬等優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)分為定子和動(dòng)子兩部分，分別指運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相對(duì)于基座固定不動(dòng)部分和有確定位移輸出(直線、旋轉(zhuǎn)或二者兼有)部分。尺蠖型壓電驅(qū)動(dòng)器按照運(yùn)動(dòng)方式可分為單自由度(單一直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輸出)和多自由度兩類；按導(dǎo)向布局方式可分為爬行式和推進(jìn)式兩類。尺蠖型壓電驅(qū)動(dòng)器的典型結(jié)構(gòu)，除驅(qū)動(dòng)單元外一般均包括以下部分或全部環(huán)節(jié)：壓電元件組、柔性鉸鏈組(含放大機(jī)構(gòu))、預(yù)緊機(jī)構(gòu)、箝位機(jī)構(gòu)及底座導(dǎo)軌等，其中驅(qū)動(dòng)單元、箝位機(jī)構(gòu)和柔性鉸鏈組(含放大機(jī)構(gòu))是決定該類驅(qū)動(dòng)器性能的3個(gè)關(guān)鍵部件。

1 尺蠖型驅(qū)動(dòng)器關(guān)鍵部件

尺蠖型驅(qū)動(dòng)器的最基本構(gòu)型，至少有兩組箝位機(jī)構(gòu)和一組驅(qū)動(dòng)單元，以實(shí)現(xiàn)“前松后箝-推進(jìn)-前箝后松-復(fù)位”的四步循環(huán)，對(duì)外輸出推力(矩)。

1.1 箝位機(jī)構(gòu)

箝位機(jī)構(gòu)按性質(zhì)分主動(dòng)箝位和被動(dòng)箝位兩種，按布局分為內(nèi)箝位和外箝位兩種。

圖1為主、被動(dòng)箝位方式的對(duì)比示意圖。主動(dòng)箝位方式箝緊力由箝位面與導(dǎo)軌面之間的摩擦力提供，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單直觀；被動(dòng)箝位方式則依靠斜楔自鎖實(shí)現(xiàn)，箝位效果穩(wěn)定，產(chǎn)生的箝位力亦較大，且通過(guò)預(yù)緊，可保持兩接觸面始終接觸，但自鎖難(也有個(gè)別機(jī)構(gòu)使用螺紋結(jié)構(gòu)來(lái)控制自鎖)[1]。

圖1 主動(dòng)箝位和被動(dòng)箝位方式

圖2為內(nèi)、外箝位方式。由圖可看出，內(nèi)箝位方式結(jié)構(gòu)緊湊，可減小驅(qū)動(dòng)器的體積，從而提高驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)精度。與外箝位方式相比，其輸出推力(矩)較小。外箝位驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)尺寸一般較大，能提供較大的箝位力，但調(diào)整機(jī)構(gòu)需要同時(shí)調(diào)整多個(gè)箝位端子，很難協(xié)調(diào)有效地進(jìn)行精密調(diào)整[2]。

圖2 內(nèi)、外箝位方式

1.2 柔性鉸鏈

柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)利用柔鉸的彈性變形輸出運(yùn)動(dòng)或力(見圖3)，與傳統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，其具有體積小，無(wú)間隙，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)機(jī)械摩擦，加工簡(jiǎn)單，免裝配等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)微納米級(jí)精度定位。同時(shí)柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)可對(duì)壓電體施加適當(dāng)預(yù)緊力，并保護(hù)壓電體免受非軸向力破壞[3]。

圖3 柔性鉸鏈的常見結(jié)構(gòu)形式

1.3 放大機(jī)構(gòu)

壓電體的微位移常被直接應(yīng)用于精密定位平臺(tái)，但工作行程常小于10 μm。在需要更大位移的應(yīng)用場(chǎng)合，則需借助各種柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)來(lái)放大其輸出位移。常用的柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)主要有杠桿式放大機(jī)構(gòu)、橋式放大機(jī)構(gòu)、三角式放大機(jī)構(gòu)[4]和Scott-Russell 放大機(jī)構(gòu)[5]等(見圖4)，通過(guò)上述組合可形成多級(jí)放大機(jī)構(gòu)。

圖4 放大機(jī)構(gòu)

2 尺蠖型直線壓電驅(qū)動(dòng)器

2.1 爬行式直線驅(qū)動(dòng)器

該型驅(qū)動(dòng)器是一種典型的仿生驅(qū)動(dòng)裝置，運(yùn)動(dòng)方式與尺蠖蟲爬行運(yùn)動(dòng)相似，結(jié)構(gòu)特征為兩組箝位機(jī)構(gòu)和一組驅(qū)動(dòng)單元均安裝在動(dòng)子中，定子為導(dǎo)軌，只起導(dǎo)向和支撐作用。

圖5為驅(qū)動(dòng)器右向運(yùn)動(dòng)循環(huán)。H型動(dòng)子包括左、右箝位機(jī)構(gòu)和中間驅(qū)動(dòng)單元。其運(yùn)動(dòng)循環(huán)過(guò)程：初始狀態(tài)(Ⅰ)→左箝位箝緊定子導(dǎo)軌(Ⅱ)→驅(qū)動(dòng)單元伸長(zhǎng)，推動(dòng)右箝位向右一步(Ⅲ)→右箝位箝緊導(dǎo)軌(Ⅳ)→左箝位松開(Ⅴ)→驅(qū)動(dòng)單元復(fù)位，帶動(dòng)左箝位向右跟進(jìn)一步(Ⅵ)→左箝位箝緊導(dǎo)軌，右箝位松開(Ⅶ)。重復(fù)過(guò)程Ⅱ～Ⅶ，驅(qū)動(dòng)器做連續(xù)尺蠖爬行運(yùn)動(dòng)[6]。

圖5 爬行式直線驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)循環(huán)

2015年，Li Ma等[7]提出一種基于對(duì)稱杠桿放大機(jī)構(gòu)的爬行式直線驅(qū)動(dòng)器(見圖6)。整體結(jié)構(gòu)采用單軸式雙槽圓形柔性鉸鏈作為主鉸鏈，具有很高的軸向剛度，工作時(shí)軸向變形小，配合杠桿機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)位移放大；采用高精度交叉滾子導(dǎo)軌提高定位精度；箝位機(jī)構(gòu)固定于移動(dòng)導(dǎo)軌，通過(guò)螺釘調(diào)節(jié)移動(dòng)導(dǎo)軌間的間隙；3個(gè)壓電陶瓷執(zhí)行器分別預(yù)裝在插槽中。該驅(qū)動(dòng)器的夾緊力為17 N，整個(gè)機(jī)構(gòu)的承載能力為11 N，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為150 V時(shí)，最高運(yùn)動(dòng)速度為1.259 mm/s，行程為-25～+25 mm，分辨率為60 nm，可滿足精密光學(xué)的要求[7]。

圖6 基于對(duì)稱杠桿放大機(jī)構(gòu)的爬行式直線驅(qū)動(dòng)器

2011年，李全松等[8]設(shè)計(jì)了一種基于橋式放大原理的爬行式直線驅(qū)動(dòng)器(見圖7)，其主要特點(diǎn)有：

1) 驅(qū)動(dòng)單元為橋式柔性機(jī)構(gòu)，充分利用該機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)力分布均勻及固有頻率高等優(yōu)點(diǎn)。

2) 箝位機(jī)構(gòu)由壓電疊堆與單層平行板柔性鉸鏈裝配而成，與側(cè)導(dǎo)軌采用V型面配合，增大內(nèi)箝位方式的箝位力，配合副表面需精細(xì)對(duì)研。

3) 驅(qū)動(dòng)器底座和導(dǎo)軌采用一體化設(shè)計(jì)和加工，既可避免導(dǎo)軌采用裝配方式時(shí)易產(chǎn)生的不平行度誤差，同時(shí)有效減小螺紋連接對(duì)驅(qū)動(dòng)器總體剛度的影響，提高輸出精度[8]。

圖7 基于橋式放大的爬行式直線驅(qū)動(dòng)器

該壓電驅(qū)動(dòng)器工作行程為20 mm，最大箝位力為47 N，最大驅(qū)動(dòng)力為38 N，驅(qū)動(dòng)電壓為 200 V時(shí)最大運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)為32.15 μm；驅(qū)動(dòng)電壓為10 V時(shí)具有最小的運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)，即驅(qū)動(dòng)器的分辨率為 20 nm；驅(qū)動(dòng)器在無(wú)負(fù)載狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)頻率30 Hz、驅(qū)動(dòng)電壓200 V時(shí)，其最大驅(qū)動(dòng)速度達(dá)484.2 μm/s。

2.2 推進(jìn)式直線驅(qū)動(dòng)器

推進(jìn)式驅(qū)動(dòng)器與爬行式驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)組成、運(yùn)動(dòng)原理基本相同，區(qū)別在于其定子采用單導(dǎo)軌(導(dǎo)桿)導(dǎo)向，或?qū)螌?dǎo)軌或?qū)U作為輸出的動(dòng)子。配合三路時(shí)序信號(hào)，推進(jìn)式驅(qū)動(dòng)器的典型運(yùn)動(dòng)循環(huán)如圖8所示。其運(yùn)動(dòng)循環(huán)過(guò)程為：

1) 初始狀態(tài)，左右箝位機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)單元均不通電(見圖8(Ⅰ))。

2) 左箝位通電，箝緊定子(見圖8(Ⅱ))。

3) 驅(qū)動(dòng)單元通電伸長(zhǎng)，推動(dòng)動(dòng)子及右箝位右移一步(見圖8(Ⅲ))。

4) 右側(cè)位通電，箝緊定子(見圖8(Ⅳ))。

5) 左箝位斷電松開，動(dòng)子與定子分離(見圖8(Ⅴ))。

6) 驅(qū)動(dòng)單元斷電，收縮復(fù)位，拉動(dòng)左箝位向右跟進(jìn)一步(見圖8(Ⅵ))。

7) 左箝位通電，箝緊定子(見圖8(Ⅶ))。

8) 右箝位斷電松開，動(dòng)子與定子分離(見圖8(Ⅷ))。

驅(qū)動(dòng)器在時(shí)序控制下，循環(huán)執(zhí)行由圖8(Ⅲ)至圖8(Ⅷ)的過(guò)程，即實(shí)現(xiàn)自左向右的連續(xù)直線位移，反之亦然[9]。

圖8 推進(jìn)式直線驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)循環(huán)

2015年，郭文峰[10]提出一種基于三角放大原理的推進(jìn)式直線驅(qū)動(dòng)器，由驅(qū)動(dòng)箝位體、保持箝位體、驅(qū)動(dòng)體和導(dǎo)軌等部分組成(見圖9)，其創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在箝位機(jī)構(gòu)上：

1) 設(shè)計(jì)為通電狀態(tài)解除箝位，斷電狀態(tài)鎖住導(dǎo)軌。

2) 每組箝位體均采用被動(dòng)箝位方式，利用上、下兩個(gè)三角放大機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)軌的箝緊和放松。

圖9 基于三角放大的推進(jìn)式直線驅(qū)動(dòng)器

當(dāng)箝位壓電疊堆通電伸長(zhǎng)時(shí)，該結(jié)構(gòu)將壓電疊堆的水平位移轉(zhuǎn)換為箝位頭的垂直位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)軌的放松；斷電時(shí)，箝位體在自身彈性力的作用下恢復(fù)對(duì)導(dǎo)軌的箝位作用。在工作頻率50 Hz時(shí)，其最大驅(qū)動(dòng)力約為2.1 N，空載運(yùn)行速度約為 0.38 mm/s；在工作頻率70 Hz 時(shí)，空載運(yùn)行速度達(dá)到最大(約為0.43 mm/s)。

2014年，連安志等[11]提出一種采用柔性箝位片設(shè)計(jì)的推進(jìn)式直線驅(qū)動(dòng)器，輸出軸可雙向移動(dòng)，且行程不限(見圖10)。

圖10 基于柔性箝位片的推進(jìn)式直線驅(qū)動(dòng)器

驅(qū)動(dòng)器由箝位、驅(qū)動(dòng)、柔性機(jī)構(gòu)和輸出軸4部分組成，其中箝位機(jī)構(gòu)分為第一、二層，通過(guò)對(duì)稱布置的柔性機(jī)構(gòu)連接在一起，中間輸出軸上設(shè)置環(huán)形壓電疊堆和鋼筒。箝位機(jī)構(gòu)為箱式結(jié)構(gòu)，通過(guò)柔性箝位片實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出軸箝位，使壓電陶瓷堆免受剪切力。柔性箝位片特有的圓弧形設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)(見圖10(c))，增大了柔性箝位片與輸出軸的接觸面積，使夾持力更大，效果好。與平面結(jié)構(gòu)形式的接觸方式相比，可避免輸出軸橫向滑移，使輸出軸的輸出性能穩(wěn)定。由于柔性箝位片與輸出軸的間隙可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，不僅降低了加工精度要求，且箝位力大，使得箝位更可靠。

3 尺蠖型旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動(dòng)器

旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器大多采用推進(jìn)式，其核心思想是如何巧妙地將壓電體的伸縮位移轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。典型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)除輸出的轉(zhuǎn)子軸外，一般還包括箝位機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、預(yù)緊機(jī)構(gòu)等部件。其基本工作原理如圖11所示。假定初始狀態(tài)為上箝位斷電松開轉(zhuǎn)子、下箝位通電箝緊轉(zhuǎn)子，其基本工作原理為：

1) 驅(qū)動(dòng)單元通電伸長(zhǎng)，推動(dòng)下箝位帶動(dòng)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)Δθ。

2) 上箝位通電，箝緊轉(zhuǎn)子。

3) 下箝位斷電，松開轉(zhuǎn)子。

4) 驅(qū)動(dòng)單元斷電，依靠彈性復(fù)位，同時(shí)帶動(dòng)下箝位順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)Δθ。

5) 下箝位通電，再次箝緊轉(zhuǎn)子。

6) 上箝位斷電松開，驅(qū)動(dòng)器回復(fù)初始狀態(tài)。

重復(fù)以上步驟，轉(zhuǎn)子連續(xù)逆時(shí)針步進(jìn)旋轉(zhuǎn)[11]。

圖11 尺蠖型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)循環(huán)

與直線驅(qū)動(dòng)器相比，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)更靈活，創(chuàng)新設(shè)計(jì)更巧妙，加工裝配精度也較易保證，響應(yīng)速度快，分辨率高。

2017年，宋思揚(yáng)等[12]提出一種箝位驅(qū)動(dòng)一體化的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器(見圖12)。其獨(dú)到之處體現(xiàn)在中間兩層驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上：

1) 旋轉(zhuǎn)框架對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)任務(wù)，箝位框架對(duì)應(yīng)箝緊任務(wù)，在同一平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)驅(qū)、箝一體化設(shè)計(jì)。

2) 通電解除箝位，斷電鎖緊轉(zhuǎn)子軸，鎖止?fàn)顟B(tài)為轉(zhuǎn)子的輸出常態(tài)。

3) 上、下兩層結(jié)構(gòu)完全相同，可慢走絲整體切割一次成型，加工裝配精度易保證。

圖12 箝位驅(qū)動(dòng)一體化的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器

該驅(qū)動(dòng)器能實(shí)現(xiàn)雙向大范圍旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，具有轉(zhuǎn)角分辨率高、可承受軸向載荷、斷電自鎖等特點(diǎn)。

2017年，雷俊琪等[13]提出一種以人字形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為核心的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器。除人字結(jié)構(gòu)外，還包括固定的圓周軌道底座、上、下?lián)醢寮爸行妮敵鲚S等(見圖13)。人字形機(jī)構(gòu)為創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其頭部的壓電陶瓷用于驅(qū)動(dòng)，底部?jī)啥说牧庑苇h(huán)及內(nèi)裝陶瓷用于鎖止，即兩只鎖止陶瓷不通電時(shí)，2個(gè)菱形環(huán)與上、下?lián)醢彘g均為緊配合，輸出軸處于鎖緊狀態(tài)。當(dāng)兩路鎖止信號(hào)和一路驅(qū)動(dòng)信號(hào)按不同時(shí)序激勵(lì)時(shí)，輸出軸即可雙向步進(jìn)旋轉(zhuǎn)。人字形機(jī)構(gòu)同時(shí)具備橋式放大和三角放大特征，但本質(zhì)上基于三角放大原理驅(qū)動(dòng)輸出軸工作，并隨軸一起旋轉(zhuǎn)。

圖13 對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器

2015年，榮偉彬等[14]提出一種利用弧面與斜面間自鎖，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定箝位的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，具有較大的承載能力(見圖14)。各箝位面間受磨損影響小，不會(huì)因?yàn)槟p而造成箝位作用力的下降甚至驅(qū)動(dòng)器失效，使用壽命長(zhǎng)，換能效率高，分辨率高，行程大，可被用于超精密加工領(lǐng)域。

圖14 對(duì)箝位機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器

2017年，王新廣等[15]提出一種粗、精兩級(jí)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)對(duì)內(nèi)框柔性鉸鏈的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提高了分辨率(見圖15)。精級(jí)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由柔性支承、定位預(yù)緊塊、壓電陶瓷、預(yù)緊螺釘、電容位移傳感器等組成。內(nèi)框?yàn)閯?dòng)平臺(tái)，連接負(fù)載；外框?yàn)槎ㄆ脚_(tái)，連接粗精兩級(jí)轉(zhuǎn)接件。電容傳感器檢測(cè)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)角并作為反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。柔性支承由4個(gè)對(duì)稱的直角柔性鉸鏈并聯(lián)組成，可減小偏心誤差。此類驅(qū)動(dòng)器對(duì)需要高位移分辨率的場(chǎng)合，如光電穩(wěn)描技術(shù)具有實(shí)際意義。

圖15 對(duì)內(nèi)框柔性鉸鏈創(chuàng)新的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器

4 尺蠖型多自由度壓電驅(qū)動(dòng)器

多自由度運(yùn)動(dòng)可視為單自由度直線、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的串聯(lián)組合，多數(shù)情況下，這種組合不影響單自由度執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)性能。目前，積木結(jié)構(gòu)是商業(yè)化多自由度產(chǎn)品的主流，集成結(jié)構(gòu)多見于實(shí)驗(yàn)室階段，且大都為直線和旋轉(zhuǎn)模式。

2015年，Xiantao Sun等[16]提出一種兩自由度壓電驅(qū)動(dòng)器(見圖16)。驅(qū)動(dòng)器由2個(gè)夾緊模塊、1個(gè)線性驅(qū)動(dòng)模塊和1個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)模塊組成，分別由4個(gè)壓電疊堆驅(qū)動(dòng)。2個(gè)夾緊模塊動(dòng)作互補(bǔ)，保證輸出軸斷電時(shí)處于鎖緊狀態(tài)。該驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)范圍較大，位移分辨率和負(fù)載能力高。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓分別為5 V、140 V時(shí)，線性運(yùn)動(dòng)的尺寸分別為0.049 μm和9.3 μm，而驅(qū)動(dòng)電壓為2 V、140 V時(shí)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為10.3 μrad和228.5 μrad。執(zhí)行器的負(fù)載能力最大輸出力為11.8 N，最大輸出扭矩為73.5 N /mm。

圖16 旋轉(zhuǎn)直線一體化壓電驅(qū)動(dòng)器

2012年，李建平等[17-18]提出一種三爪自定心箝位的兩自由度尺蠖驅(qū)動(dòng)器(見圖17)。其結(jié)構(gòu)特征為：定子采用雙層設(shè)計(jì)并整體切割而成，負(fù)責(zé)箝位，上、下層板通過(guò)直角柔性鉸鏈連接，下層嵌有L形驅(qū)動(dòng)縮進(jìn)塊，通過(guò)驅(qū)動(dòng)用壓電疊堆推動(dòng)轉(zhuǎn)子步進(jìn)旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)子為圓柱體，沿軸向分為兩段并與柔性鉸鏈相連，轉(zhuǎn)子中心內(nèi)嵌驅(qū)動(dòng)用壓電疊堆，在上、下層箝位配合下實(shí)現(xiàn)步進(jìn)直線運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)中性好，精度高，輸出推力和轉(zhuǎn)矩大。在20 V、1 Hz驅(qū)動(dòng)條件下，最小空載步距角為4.95 μrad；在驅(qū)動(dòng)電壓100 V時(shí)，其最大輸出轉(zhuǎn)矩為93.1 N·mm，最大轉(zhuǎn)速為6 508.5 μrad/s。

圖17 三爪自定心式兩自由度驅(qū)動(dòng)器

5 結(jié)論

本文對(duì)尺蠖型壓電驅(qū)動(dòng)器的基本原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主要特性及應(yīng)用情況進(jìn)行了分析和總結(jié)。該類驅(qū)動(dòng)器的不足體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 直線驅(qū)動(dòng)器對(duì)導(dǎo)軌的精度、平行度要求極高，調(diào)試和使用中易出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。

2) 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的箝位機(jī)構(gòu)易發(fā)生干涉，對(duì)柔鉸機(jī)械特性要求更高。

3) 集成式多自由度驅(qū)動(dòng)器，雖然直線、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以同時(shí)實(shí)施，但控制較復(fù)雜，協(xié)調(diào)性有欠缺，在微螺紋裝配等一些特定場(chǎng)合中尚不能滿足要求。

以后應(yīng)重點(diǎn)解決尺蠖型壓電驅(qū)動(dòng)器的實(shí)用性研究問(wèn)題，主要有：

1) 柔性鉸鏈構(gòu)型設(shè)計(jì)。目前柔鉸設(shè)計(jì)大都采用集中式柔順機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)靜動(dòng)態(tài)特性易受其拓?fù)湫螤钕拗?，若采用全柔順耦合機(jī)構(gòu)，則可避開構(gòu)型限制，改善綜合性能。

2) 控制方法。對(duì)尺蠖型壓電驅(qū)動(dòng)器，應(yīng)用最廣的控制方法是單環(huán)PID閉環(huán)反饋法，簡(jiǎn)單可靠，定位精度高。但在頻帶較寬時(shí)，系統(tǒng)誤差影響明顯，有局限性。后續(xù)可考慮采用雙環(huán)PID控制，內(nèi)環(huán)改善壓電陶瓷線性，再針對(duì)內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)外環(huán)控制器，減小系統(tǒng)誤差。

3) 補(bǔ)償算法。常用的壓電陶瓷非線性補(bǔ)償算法模型有Preisach模型、Prandtl-Ishlinskii(PI)模型等，但性能和精度仍有改進(jìn)空間，未來(lái)除改進(jìn)這些算法、提高適用性外，還可探索新的算法，如B樣條快速插補(bǔ)算法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法等。

4) 溫度控制。尺蠖驅(qū)動(dòng)器本質(zhì)是基于摩擦力致動(dòng)，工作時(shí)必然伴生磨損和溫升。而某些場(chǎng)合 (如微操作)，不允許溫度對(duì)定位精度有明顯干擾，因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用散熱快、膨脹率低的彈性材料，并盡量采用對(duì)稱布局，若條件允許還可以要求在恒溫環(huán)境下使用。