具有大行程的步進(jìn)型壓電致動(dòng)器研究綜述

張 韜,馬 瑞,王 陽(yáng),陳玉國(guó),張 健,王宇航

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 哈爾濱 150000)

0 引言

隨著微納加工[1-3]、航空航天[4-6]及精密光學(xué)儀器[7]等領(lǐng)域的快速發(fā)展,使得對(duì)精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)提出了更高的要求,對(duì)分辨率的要求已經(jīng)提高到納米尺度。隨著科技發(fā)展,為了滿足高精度定位與驅(qū)動(dòng)的要求,驅(qū)動(dòng)裝置在不斷更新,定位精度也從毫米級(jí)升級(jí)至納米級(jí),甚至更高。精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為微納技術(shù)的關(guān)鍵部分,其發(fā)展水平嚴(yán)重影響著微納技術(shù)的發(fā)展。這種精密驅(qū)動(dòng)與定位系統(tǒng)的關(guān)鍵在于,同時(shí)具有微/納米級(jí)別的定位分辨率、較大運(yùn)動(dòng)行程以及有足夠的承載能力等特點(diǎn)[8]。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置由于結(jié)構(gòu)尺寸較大以及較低的定位精度導(dǎo)致很難應(yīng)用在高精度定位領(lǐng)域當(dāng)中[9]。

壓電致動(dòng)器是一種新型的致動(dòng)器,可以滿足精密定位系統(tǒng)中納米級(jí)定位分辨率的需求。壓電致動(dòng)器一般基于壓電元件的逆壓電效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生位移運(yùn)動(dòng),單個(gè)壓電元件的工作行程只有幾微米或幾十微米,這極大地限制了壓電致動(dòng)器的應(yīng)用范圍。為了克服這個(gè)問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者提出了各種方法使壓電致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)大的工作行程(毫米級(jí)別,甚至幾厘米)[10]。目前,根據(jù)驅(qū)動(dòng)原理不同,可以將壓電致動(dòng)器分為直動(dòng)型壓電致動(dòng)器和步進(jìn)型壓電致動(dòng)器。直動(dòng)型壓電致動(dòng)器通常利用柔性放大機(jī)構(gòu)放大壓電元件的輸出位移,然而,放大后的行程通常為幾十微米,這仍然是不夠的,如果增加放大比,則會(huì)使致動(dòng)器的動(dòng)態(tài)性能與輸出性能惡化。直動(dòng)型壓電致動(dòng)器相對(duì)于步進(jìn)壓電致動(dòng)器,具有輸出力大、工作帶寬大和連續(xù)性好的優(yōu)勢(shì),但是工作行程小,限制了直動(dòng)型壓電致動(dòng)器在未來(lái)大行程驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。雖然步進(jìn)壓電致動(dòng)器每一步的運(yùn)動(dòng)位移很小,但是理論上積累的位移可以達(dá)到無(wú)窮大。并且,由于單步的位移非常小,所以可以實(shí)現(xiàn)較高的定位分辨率,因此,步進(jìn)型壓電致動(dòng)器在納米定位系統(tǒng)中越來(lái)越受到相關(guān)學(xué)者的關(guān)注,并取得了很大進(jìn)展。

本文綜述了步進(jìn)型壓電致動(dòng)器的工作原理與研究進(jìn)展,對(duì)比了幾種典型致動(dòng)器在精密定位技術(shù)中的優(yōu)劣,對(duì)幾種步進(jìn)型壓電致動(dòng)器的輸出性能做出了比較,并且指出了目前存在的問(wèn)題及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 典型高精度致動(dòng)器比較

致動(dòng)器是精密定位系統(tǒng)的核心部件,其輸出性能的優(yōu)劣直接影響定位系統(tǒng)的工作性能。常見(jiàn)用于高精度驅(qū)動(dòng)與定位系統(tǒng)中的致動(dòng)器包含音圈電機(jī)、直線電機(jī)、伺服電機(jī)、步進(jìn)型壓電驅(qū)動(dòng)器以及直動(dòng)型壓電驅(qū)動(dòng)器等。

音圈電機(jī)(voice coil motor)是一種特殊形式的直接驅(qū)動(dòng)電機(jī),因其工作原理與揚(yáng)聲器相似而得名。音圈電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、高加速度、高線性度等顯著特征,在高精度定位伺服系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。其運(yùn)動(dòng)行程一般在毫米級(jí)別,其定位精度級(jí)別為亞微米級(jí),如果想達(dá)到百納米級(jí)別的定位精度,對(duì)其零件加工與安裝配合等因素有極高的要求。直線電機(jī)是一種能產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)的電機(jī),可以把電能轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能,不需要任何中間傳動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置,因此,比旋轉(zhuǎn)電機(jī)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換裝置形成的直線運(yùn)動(dòng)效率更高。雖然這些常規(guī)的致動(dòng)器可以在一定程度上達(dá)到精密驅(qū)動(dòng)和定位的目的,且具有更高的剛度和承載能力的優(yōu)點(diǎn),但由于摩擦、疲勞等關(guān)鍵因素限制了它們的應(yīng)用,直線電機(jī)和音圈電機(jī)的定位精度都為亞微米級(jí)別,很難滿足近些年精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)的定位精度要求[11-12]。

近年來(lái),壓電致動(dòng)器作為精密定位與驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的代表裝置之一,越來(lái)越多類型的壓電致動(dòng)器被開(kāi)發(fā)出來(lái)[13]。步進(jìn)型壓電致動(dòng)器由于具有較大的定位精度、工作行程以及較小的結(jié)構(gòu)尺寸,被廣泛用于精密定位系統(tǒng)中。它還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能耗低,響應(yīng)速度快,以及可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)別的定位等優(yōu)點(diǎn),所以備受各界的關(guān)注。圖1表示了3種典型致動(dòng)器輸出性能的比較情況[14-38]。其中步進(jìn)型壓電致動(dòng)器是以步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的方式累計(jì)位移的,所以其行程理論上可以無(wú)限大。直線電機(jī)的精度為亞微米級(jí)別,其行程由導(dǎo)軌的長(zhǎng)度決定。

圖1 典型致動(dòng)器輸出性能

其中步進(jìn)型壓電致動(dòng)器包括以下3種：尺蠖型壓電致動(dòng)器、超聲型壓電致動(dòng)器以及粘滑型壓電致動(dòng)器[39-40]。尺蠖型壓電致動(dòng)器是模仿真實(shí)的尺蠖的步進(jìn)運(yùn)動(dòng),通過(guò)夾緊單元和驅(qū)動(dòng)單元之間的相互配合,實(shí)現(xiàn)大的工作行程。超聲型壓電致動(dòng)器是基于逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)理論使動(dòng)子產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的,其彈性體可被反向壓電效應(yīng)激勵(lì),在超聲頻率下產(chǎn)生橢圓諧振運(yùn)動(dòng)。粘滑型壓電致動(dòng)器僅通過(guò)一個(gè)定子和一個(gè)動(dòng)子之間的摩擦力就能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而獲得較大的工作行程。本論文著重介紹以上3種步進(jìn)型壓電驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)原理及研究現(xiàn)狀。

2 尺蠖型壓電致動(dòng)器

2.1 尺蠖型壓電致動(dòng)器運(yùn)動(dòng)原理

尺蠖型壓電致動(dòng)器是科研學(xué)者通過(guò)模仿自然界尺蠖蠕動(dòng)爬行的運(yùn)動(dòng)方式設(shè)計(jì)的,自然界中尺蠖的運(yùn)動(dòng)方式如圖2(a)所示,尺蠖的頭部以及尾部起著夾緊保持的作用,而軀干部分則擔(dān)當(dāng)動(dòng)力源,起推進(jìn)作用。通過(guò)協(xié)調(diào)夾緊保持和推進(jìn)的交替作用,尺蠖最終可以實(shí)現(xiàn)一曲一伸地連續(xù)行走運(yùn)動(dòng)。在尺蠖壓電驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)中,夾緊單元代替尺蠖的頭部和尾部,而驅(qū)動(dòng)單元代替尺蠖的軀干部分[41]。將尺蠖的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)與壓電技術(shù)相結(jié)合,通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元與夾持單元的交替配合,實(shí)現(xiàn)尺蠖型壓電致動(dòng)器的大工作行程,高精度及負(fù)載能力大等功能,在精密儀器和生物工程等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[42]。尺蠖型壓電致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)原理如圖2(b)所示,其填補(bǔ)了直動(dòng)型壓電致動(dòng)器短工作行程的不足[43]。此外,還彌補(bǔ)了超聲型壓電致動(dòng)器運(yùn)動(dòng)精度低、使用壽命短和傳輸效率低等不足[44]。

圖2 尺蠖型壓電致動(dòng)器示意圖

尺蠖型壓電致動(dòng)器通常由2個(gè)夾緊單元和1個(gè)驅(qū)動(dòng)單元組成,其中,每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元配備1個(gè)或多個(gè)壓電元件,以實(shí)現(xiàn)所需的單自由度運(yùn)動(dòng)[45-46]。尺蠖型壓電致動(dòng)器通過(guò)重復(fù)以下6個(gè)步驟產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)：① 在初始位置,驅(qū)動(dòng)單元和夾緊單元部分的壓電元件都不工作,因此,夾持單元和導(dǎo)向器之間存在間隙;② 夾緊單元1中的壓電元件通電,夾緊單元1與導(dǎo)軌夾緊;③ 驅(qū)動(dòng)單元通電并獲得動(dòng)力,壓電元件緩慢伸長(zhǎng),帶動(dòng)夾緊單元2向右運(yùn)動(dòng);④ 夾緊單元2通電獲得動(dòng)力,與夾緊單元1一起夾緊導(dǎo)軌;⑤ 夾緊單元1斷電,壓電元件緩慢恢復(fù)原狀,松開(kāi)導(dǎo)軌,驅(qū)動(dòng)單元斷電,帶動(dòng)夾緊單元1向右運(yùn)動(dòng);⑥ 夾緊單元1通電,與導(dǎo)軌夾緊,夾緊單元2斷電,松開(kāi)導(dǎo)軌,在此過(guò)程中,導(dǎo)向器的位置保持不動(dòng)。雖然每一步的位移很小,但是重復(fù)以上6個(gè)步驟,尺蠖型壓電致動(dòng)器會(huì)產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)[47-48]。

2.2 研究現(xiàn)狀

1968年,第一個(gè)管狀蠕動(dòng)型尺蠖致動(dòng)器誕生,并被應(yīng)用在精密加工中的材料定位上。1972年,Galutva研制了第一個(gè)真正意義上的蠕動(dòng)型尺蠖致動(dòng)器,并應(yīng)用于精密定位。后來(lái)的許多尺蠖型壓電致動(dòng)器的設(shè)計(jì)都以此為參照,圖3為典型的尺蠖型壓電致動(dòng)器的構(gòu)造示意圖。使用壓電堆疊可以在提升承載能力與運(yùn)動(dòng)速度的同時(shí),使整體結(jié)構(gòu)更加緊湊,此裝置最高可達(dá)每分鐘幾百毫米的運(yùn)動(dòng)速度,定位精度達(dá)到了微米級(jí)別,對(duì)于尺蠖型壓電致動(dòng)器的發(fā)展有極其重要的意義[49]。

圖3 Galutva蠕動(dòng)型尺蠖致動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

然而,由于當(dāng)時(shí)壓電材料不成熟,尺蠖型壓電致動(dòng)器的發(fā)展受到了很多阻礙。在隨后的一段時(shí)間里,雖然有一些尺蠖型壓電致動(dòng)器問(wèn)世,但大多都停留在理論研究上。直到20世紀(jì)80年代末,壓電元件才能夠提供數(shù)千牛頓的輸出力,驅(qū)動(dòng)電壓從1×103V下降到200 V,這為壓電致動(dòng)器的進(jìn)一步發(fā)展提供了巨大的機(jī)遇。1986年,Hara等[50]利用壓電堆疊研制了一種尺蠖型壓電致動(dòng)器,使輸入電壓降到0～200 V,此后,越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注尺蠖型壓電致動(dòng)器的發(fā)展。

但是,尺蠖型壓電驅(qū)動(dòng)裝置面臨的一個(gè)重要問(wèn)題是壓電元件的輸出位移很小,夾緊單元無(wú)法夾緊滑塊。因此,很多學(xué)者用不同的方法對(duì)夾緊裝置進(jìn)行改進(jìn)。柔性鉸鏈由于具有響應(yīng)速度快,無(wú)摩擦損耗等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于壓電致動(dòng)器的設(shè)計(jì)中,以增大壓電致動(dòng)器的輸出位移[51]。

Yan等[14]研制了一種雙向互補(bǔ)式尺蠖型壓電致動(dòng)器,其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。此裝置夾緊動(dòng)作由橋式機(jī)構(gòu)完成,釋放動(dòng)作由杠桿機(jī)構(gòu)完成,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)可得,此尺蠖型壓電致動(dòng)器具有雙向可變的步進(jìn)運(yùn)動(dòng),通過(guò)逐步精細(xì)定位控制,可實(shí)現(xiàn)最大分辨率為1 nm。并且在此基礎(chǔ)上研究了一種基于電壓序列的變步長(zhǎng)控制方法,此方法應(yīng)用在致動(dòng)器中可以調(diào)節(jié)夾緊力,在可變步長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)中具有更高的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和承載能力。Cai等[15]研制了一種杠桿型放大機(jī)構(gòu)壓電致動(dòng)器的線性步進(jìn)式壓電平臺(tái),如圖5所示。此平臺(tái)使用了2個(gè)堆疊壓電元件(d33模式)、2個(gè)剪切壓電元件(d15模式)、2個(gè)平行的剪切壓電元件產(chǎn)生動(dòng)子運(yùn)動(dòng)所需的側(cè)向運(yùn)動(dòng),2個(gè)平行的堆疊壓電元件作用在杠桿放大機(jī)構(gòu),以調(diào)整2個(gè)剪切型壓電元件與動(dòng)子之間的相對(duì)位置,從而使平臺(tái)獲得不同的負(fù)載能力。此平臺(tái)具有納米級(jí)別分辨率的高精度定位模式及大行程范圍的粗略定位模式,使步進(jìn)型壓電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)達(dá)到了納米級(jí)的定位精度。Ghenna等[16]研發(fā)了一種小型化、高驅(qū)動(dòng)力、高阻抗的尺蠖型壓電驅(qū)動(dòng)馬達(dá),如圖6所示,該驅(qū)動(dòng)馬達(dá)由1個(gè)擴(kuò)展機(jī)構(gòu)和2個(gè)雙夾緊機(jī)構(gòu)組成,其中,雙夾持機(jī)構(gòu)的作用是在動(dòng)子和動(dòng)子之間提供較高的夾緊力(2 500 N),而擴(kuò)展機(jī)構(gòu)的作用是利用柔性機(jī)構(gòu)放大壓電元件的輸出位移(自由行程下為0.01 mm)和提高夾緊力(500 N)。

圖4 雙向互補(bǔ)式尺蠖型壓電致動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 線性步進(jìn)式壓電平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 尺蠖型壓電驅(qū)動(dòng)馬達(dá)動(dòng)子結(jié)構(gòu)示意圖

隨著工業(yè)中微/納米物體處理和納米定位的發(fā)展,具有納米分辨率的高精度定位是提高掃描質(zhì)量和操作精度的關(guān)鍵技術(shù),并在爬桿機(jī)器人[17]上顯示出重要的應(yīng)用前景。大多數(shù)基于電磁或靜電電機(jī)的爬桿機(jī)器人普遍存在尺寸大、位移分辨率低的問(wèn)題,這大大減少了爬桿機(jī)器人的工作空間,影響機(jī)器人完成檢測(cè)任務(wù)的效率,使用壓電致動(dòng)器的機(jī)器人可以緩解這些問(wèn)題。與電磁馬達(dá)和氣動(dòng)元件相比,壓電致動(dòng)器具有分辨率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),這些優(yōu)點(diǎn)促使研究人員開(kāi)發(fā)由壓電致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)。

為了解決上述爬桿機(jī)器人尺寸大和定位分辨率低的問(wèn)題,Ma等[18]提出了一種基于尺蠖型壓電運(yùn)動(dòng)的爬桿機(jī)器人,其結(jié)構(gòu)如圖7所示,該機(jī)器人具有負(fù)載質(zhì)量高、體積小(50 mm×54 mm×86 mm)、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。

圖7 爬桿機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,此機(jī)器人在電壓為150 V、頻率為9 Hz的情況下,最大轉(zhuǎn)速可以達(dá)到100.9 μm/s,負(fù)載質(zhì)量比為1.42,位移分辨率為85 nm,此方案保證了機(jī)器人在工作時(shí)定位分辨率高,同時(shí)具有大的位移速度。為了解決尺蠖型壓電致動(dòng)器運(yùn)動(dòng)速度低的問(wèn)題,該團(tuán)隊(duì)在2022年研制了一種雙壓電堆疊驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)式尺蠖致動(dòng)器[19],其結(jié)構(gòu)如圖8所示,該致動(dòng)器具有承載能力大、無(wú)反向運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),繼承了傳統(tǒng)尺蠖致動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)。此裝置中每個(gè)夾緊足可以借助雙菱形柔性機(jī)構(gòu),在夾緊單元和釋放單元之間來(lái)回切換,并且具有大承載能力和無(wú)回退運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,此尺蠖型壓電致動(dòng)器的最大速度為471.01 μm/s,載荷為6.1 kg,輸出力為11.76 N。

圖8 步進(jìn)式尺蠖致動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

德國(guó)physik instrumente(PI)公司在尺蠖型壓電致動(dòng)器行業(yè)長(zhǎng)期處于領(lǐng)先地位,該公司生產(chǎn)的尺蠖型壓電致動(dòng)器產(chǎn)品可滿足10～125 mm的行程范圍,如果導(dǎo)軌足夠長(zhǎng),行程理論上可以無(wú)限大;其分辨率閉環(huán)工作情況下小于10 nm,開(kāi)環(huán)工作情況下可達(dá)到0.02 nm左右,速度為10～15 mm/s,驅(qū)動(dòng)力一般為50 N,最高可達(dá)300 N,具有良好的輸出性能,同時(shí)兼具高分辨率、大驅(qū)動(dòng)力、較高的速度等特點(diǎn)。圖9所示為PI公司生產(chǎn)的N-331型尺蠖壓電致動(dòng)器(圖片來(lái)源于公司官網(wǎng))。

圖9 PI公司生產(chǎn)的尺蠖型壓電致動(dòng)器產(chǎn)品實(shí)物圖

國(guó)內(nèi)制作基于尺蠖原理的壓電致動(dòng)器的廠家有哈爾濱芯明天科技有限公司,其生產(chǎn)的N31系列高精度直線壓電馬達(dá)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的行程有25、50、100 mm三種規(guī)格;主動(dòng)推拉力可達(dá)30 N,最大運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)10 mm/s,閉環(huán)分辨率一般<10 nm,開(kāi)環(huán)分辨率<0.1 nm。圖10所示為該公司生產(chǎn)的N31型尺蠖壓電致動(dòng)器(圖片來(lái)源于公司官網(wǎng))。

圖10 芯明天公司生產(chǎn)的尺蠖型壓電致動(dòng)器產(chǎn)品實(shí)物圖

綜合以上研究工作,尺蠖型壓電致動(dòng)器是采用自然界中的尺蠖運(yùn)動(dòng)模擬的仿生設(shè)計(jì)理念,通過(guò)多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元與夾持單元相互配合、交替運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)大行程、高精度的連續(xù)運(yùn)動(dòng)輸出[52-53],還具有輸出能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。然而,尺蠖型壓電致動(dòng)器通常結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,有多個(gè)壓電元件,應(yīng)用時(shí)有制造、裝配及控制等方面的困難,在以后的研究中,應(yīng)予以改善和解決。

3 超聲型壓電致動(dòng)器

3.1 超聲型壓電致動(dòng)器運(yùn)動(dòng)原理

超聲型壓電致動(dòng)器也被稱為超聲電機(jī)或超聲馬達(dá),是利用壓電材料帶動(dòng)彈性體在超聲頻段內(nèi)產(chǎn)生震動(dòng),通過(guò)定子與動(dòng)子之間的摩擦產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。與電磁馬達(dá)相比,具有控制精度有高、響應(yīng)快[54-55],功耗低、不受電磁干擾[56-57]等優(yōu)點(diǎn)。

超聲型壓電致動(dòng)器根據(jù)超聲波傳播的方式可分為駐波型和行波型。如圖11(a)所示,駐波型壓電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)原理是通過(guò)電信號(hào)激發(fā)2個(gè)相互垂直的壓電元件高頻振動(dòng),使彈性體做橢圓軌跡運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)動(dòng)子進(jìn)行移動(dòng)。在從A到B的過(guò)程中,彈性體接觸到動(dòng)子,帶動(dòng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)。從B到A的過(guò)程,彈性體不與動(dòng)子接觸,不會(huì)使動(dòng)子移動(dòng),這是一種間斷性的驅(qū)動(dòng)模式。如圖11(b)所示,行波型超聲壓電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)原理是通過(guò)多個(gè)壓電元件協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng),使定子表面的每個(gè)點(diǎn)都按照橢圓的軌跡運(yùn)動(dòng),進(jìn)而推動(dòng)動(dòng)子進(jìn)行移動(dòng),這是連續(xù)性的驅(qū)動(dòng)模式[58]。

圖11 超聲壓電致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)原理示意圖

3.2 研究現(xiàn)狀

1961年,第一臺(tái)超聲型壓電致動(dòng)器由美國(guó)寶路華公司研制并實(shí)際應(yīng)用成功,用于驅(qū)動(dòng)鐘表內(nèi)的齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)指針旋轉(zhuǎn)。在1978年時(shí),Vasiliev等利用壓電材料的超聲換能原理成功研制了一種新型的超聲型壓電致動(dòng)器,提高了超聲型壓電致動(dòng)器的負(fù)載能力與輸出功率,但是其輸出性能不穩(wěn)定,不能廣泛應(yīng)用。隨后Sashida設(shè)計(jì)了一種駐波型超聲波壓電致動(dòng)器,又在1982年研發(fā)了行波型超聲波壓電致動(dòng)器,改變了駐波型超聲波壓電致動(dòng)器中定子與轉(zhuǎn)子接觸點(diǎn)固定不變的工作環(huán)境,顯著改善了二者之間的摩擦磨損情況。

2021年,Ryndzionek等[20]對(duì)多個(gè)單元的超聲壓電馬達(dá)進(jìn)行了研究,將旋轉(zhuǎn)模式電機(jī)與行波電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)(結(jié)構(gòu)如圖12所示),在超聲頻率為24.4 kHz時(shí),驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)到68 mN·m,電機(jī)速度可達(dá)42 r/min,通過(guò)多次對(duì)比實(shí)驗(yàn),得到使用材料為鋁的定子結(jié)構(gòu)會(huì)使多單元超聲壓電馬達(dá)具有更好的輸出性能,最大扭矩提升了13%,定子制造成本降低了41%。Wang等[21]研發(fā)了一種具有納米分辨率的超聲型懸臂壓電電機(jī),電機(jī)的三維模型如圖13所示。

圖12 超聲壓電馬達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖

圖13 超聲型壓電電機(jī)的三維模型示意圖

采用3個(gè)正交的第一彎曲震動(dòng)模式,在驅(qū)動(dòng)尖端形成橢圓運(yùn)動(dòng)來(lái)形成滑塊,該電機(jī)的總尺寸為30 mm×30 mm×34.2 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)頻率和電壓分別為22.7 kHz和200 Vp-p時(shí),該電機(jī)的輸出速度為344.35 mm/s。在電壓為100 Vp-p,預(yù)加載在50 N的情況下,測(cè)試了最大輸出力約為8 N。此外,在諧振工作狀態(tài)下,該壓電電動(dòng)機(jī)的高位移分辨率為48 nm。Zhang等[22]研制了一種微型駐波直線超聲電機(jī),如圖14所示。該電機(jī)利用一階縱向震動(dòng)模式與二階彎曲震動(dòng)模式耦合原理,以固定頻率實(shí)現(xiàn)雙向驅(qū)動(dòng)。此電機(jī)可產(chǎn)生81.1 mm/s的線速度及5.7 gf以上的驅(qū)動(dòng)力,輸出性能較好。

圖14 微型駐波直線超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

Wu等為了解決傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)[23]中使用的振動(dòng)模式和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)高扭矩密度和高功率密度這個(gè)問(wèn)題,研制出了一種以扭轉(zhuǎn)/彎曲為工作模式的超聲棒狀轉(zhuǎn)換器,如圖15所示[24]。

圖15 大功率超聲電機(jī)實(shí)物圖

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在頻率為21.64 kHz時(shí),最大轉(zhuǎn)矩和最大輸出功率分別達(dá)到10.1 N·m和38.1 W。同時(shí),它產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度分別為20.0 N·m/kg和75.7 W/kg。此團(tuán)隊(duì)為了提高超聲馬達(dá)的扭矩密度/功率密度,提出了一種縱向行波和彎曲行波混合激勵(lì)的驅(qū)動(dòng)方法,并成功應(yīng)用于十字形、2自由度直線超聲電機(jī)中,如圖16所示[54]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到,此裝置在X軸上產(chǎn)生的最大推力為84.3 N，空載運(yùn)行速度為 1 562 mm/s，最大輸出功率為33.2 W；在Y軸上的最大推力為86.2 N，空載運(yùn)行速度為1 531 mm/s,最大輸出功率為34.1 W。驅(qū)動(dòng)力密度為 78.4 N/kg,功率密度為31 W/kg,均優(yōu)于傳統(tǒng)的兩自由度超聲直線電機(jī)。

圖16 壓電直線超聲電機(jī)實(shí)物圖

超聲型壓電致動(dòng)器通過(guò)它們的諧振工作狀態(tài)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子獲得高速運(yùn)動(dòng)[59]。Yun等[61]的開(kāi)槽型超聲波電機(jī)的最大速度為1.12m/s。Liu等[62]設(shè)計(jì)了一種使用彎曲換能器的超聲波電機(jī),并獲得了1.527 m/s的高速度。需要注意的是,在超聲型壓電致動(dòng)器中,諧振頻率的匹配是一個(gè)必不可少的過(guò)程,這使得超聲型壓電致動(dòng)器的設(shè)計(jì)過(guò)程非常復(fù)雜。超聲型壓電致動(dòng)器還存在嚴(yán)重的磨損和發(fā)熱問(wèn)題,這意味著超聲型壓電致動(dòng)器不能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作[60]。Li等[63]研究了超聲波電機(jī)的熱特性,并發(fā)現(xiàn)當(dāng)電機(jī)運(yùn)行20 min時(shí),溫度上升超過(guò)70 ℃。

德國(guó)的physik instrumente(PI)公司制造的超聲型壓電致動(dòng)器輸出性能較高,直線型的驅(qū)動(dòng)器分為緊湊型線性平臺(tái)(一維)和緊湊型XY位移平臺(tái)(二維)。其中一維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的行程有18 mm和22 mm,負(fù)載為2 N,速度為200 mm/s。二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在X、Y方向上的位移最大可達(dá)到25 mm,速度最大為100 mm/s。負(fù)載能力最大為50 N。圖17所示為PI公司生產(chǎn)的超聲型壓電驅(qū)動(dòng)器(圖片來(lái)源于公司官網(wǎng))。

圖17 PI公司生產(chǎn)的超聲型壓電驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖

國(guó)內(nèi)也有很多企業(yè)投身于超聲型壓電驅(qū)動(dòng)器的研究與制作,其中,上海虹漸光電科技有限公司的產(chǎn)品性能較好,該公司生產(chǎn)的XLS-1、XLS-3、XUMU超聲壓電線性平臺(tái)有非常不錯(cuò)的輸出性能,其行程一般為10～25 mm,最大可達(dá)到300 mm,雙向定位精度達(dá)到±2.5 μm,最大負(fù)載可達(dá)5 N,速度范圍為200～1 000 mm/s。圖18為該公司生產(chǎn)的超聲型壓電致動(dòng)器(圖片來(lái)源于公司官網(wǎng))。

圖18 上海虹漸光電科技有限公司生產(chǎn)的超聲型壓電驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖

綜上所述,超聲型壓電致動(dòng)器的研究趨向于小型化和高輸出性能。目前,超聲型壓電致動(dòng)器是利用壓電材料的高頻振動(dòng),使機(jī)械結(jié)構(gòu)定子產(chǎn)生共振,但由于致動(dòng)器定子的高頻震動(dòng),使得摩擦損失嚴(yán)重且發(fā)熱量大,影響電機(jī)使用壽命[64]。

4 粘滑型壓電致動(dòng)器

4.1 粘滑型壓電致動(dòng)器運(yùn)動(dòng)原理

粘滑型壓電致動(dòng)器是利用摩擦力和慣性實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的,按照驅(qū)動(dòng)力的來(lái)源,可分為摩擦驅(qū)動(dòng)型和慣性驅(qū)動(dòng)型。

4.1.1摩擦驅(qū)動(dòng)型

摩擦驅(qū)動(dòng)型是利用摩擦力驅(qū)動(dòng)動(dòng)子,驅(qū)動(dòng)原理如圖19左側(cè)所示[65]。

圖19 摩擦驅(qū)動(dòng)與慣性驅(qū)動(dòng)原理示意圖

整個(gè)裝置可分為壓電元件、定子、動(dòng)子3部分,壓電元件一端固定,另一端與定子連接,動(dòng)子與定子間形成摩擦副。壓電元件受電壓信號(hào)控制,常用的壓電信號(hào)為鋸齒波信號(hào)。摩擦驅(qū)動(dòng)型壓電致動(dòng)器的具體運(yùn)動(dòng)原理如下：

初始階段(t0階段)：在沒(méi)有驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)的情況下,壓電元件和被驅(qū)動(dòng)的滑塊保持靜止;

“粘”階段(t0-t1階段)：在一個(gè)緩慢上升的電信號(hào)作用下,壓電堆疊緩慢伸長(zhǎng),帶動(dòng)摩擦桿移動(dòng),由于滑塊和摩擦桿之間存在靜摩擦力,所以摩擦桿會(huì)帶動(dòng)滑塊同樣產(chǎn)生一個(gè)位移;

“滑”階段(t1-t2階段)：電信號(hào)急速下降,壓電堆疊具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn),立即發(fā)生快速的收縮,恢復(fù)原狀,由于慣性力的作用,滑塊并不會(huì)隨著摩擦桿運(yùn)動(dòng),但是滑塊和摩擦桿之間存在滑動(dòng)摩擦力,摩擦桿會(huì)帶動(dòng)滑塊產(chǎn)生回退位移。

最終驅(qū)動(dòng)信號(hào)降到0時(shí),壓電元件縮回至初始狀態(tài)。

綜上所述,驅(qū)動(dòng)信號(hào)一個(gè)周期會(huì)帶動(dòng)滑塊產(chǎn)生一個(gè)步進(jìn)運(yùn)動(dòng),重復(fù)以上步驟,可以實(shí)現(xiàn)粘滑型壓電致動(dòng)器在宏觀上的連續(xù)位移輸出,即使每一步的位移非常小,但多次重復(fù),理論上的行程可以無(wú)限大。如果要使滑塊向相反的方向移動(dòng),驅(qū)動(dòng)信號(hào)的形狀應(yīng)該相反。

4.1.2慣性驅(qū)動(dòng)型

慣性驅(qū)動(dòng)型與摩擦驅(qū)動(dòng)型稍有不同,其驅(qū)動(dòng)原理如圖19右側(cè)所示[66]。慣性驅(qū)動(dòng)裝置主要由主體、壓電元件、反沖塊3部分組成。壓電元件一端連接反沖塊,另一端連接主體,運(yùn)動(dòng)過(guò)程如下：

初始階段(t0階段)：驅(qū)動(dòng)電壓幅值為0,整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)靜止;

“粘”階段(t0-t1階段)：驅(qū)動(dòng)電壓由0逐漸增加至峰值,壓電元件也隨電壓變化而逐漸伸長(zhǎng)并將反沖塊推離主體,主體受到的推力小于與承載面的最大靜摩擦力,所以主體仍然保持不動(dòng);

“滑”階段(t1-t2階段)：驅(qū)動(dòng)電壓由峰值迅速降低至0,壓電元件則在電壓控制下快速縮短,同時(shí)拉近主體和反沖塊,若反沖塊的慣性力大于主體與承載面的最大靜摩擦力,則主體與承載面產(chǎn)生相對(duì)位移。

重復(fù)以上步驟,實(shí)現(xiàn)主體相對(duì)于地面的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。在摩擦驅(qū)動(dòng)型結(jié)構(gòu)中,末端致動(dòng)器的致動(dòng)運(yùn)動(dòng)是由摩擦力產(chǎn)生的。在慣性驅(qū)動(dòng)型結(jié)構(gòu)中,末端致動(dòng)器的致動(dòng)運(yùn)動(dòng)是由慣性力產(chǎn)生的。

這2種驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)之間存在一些差異：

1) 由于最大靜摩擦力的限制,摩擦驅(qū)動(dòng)型壓電粘滑驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)力比慣性驅(qū)動(dòng)型壓電粘滑驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)力大;

2) 摩擦驅(qū)動(dòng)型結(jié)構(gòu)的分辨率取決于壓電元件和靜摩擦力。慣性驅(qū)動(dòng)型結(jié)構(gòu)中的分辨率取決于壓電元件和滑動(dòng)摩擦力。但是,滑動(dòng)摩擦力比靜摩擦力更復(fù)雜。在不應(yīng)用控制算法的情況下,摩擦驅(qū)動(dòng)型結(jié)構(gòu)的定位精度高于慣性驅(qū)動(dòng)型結(jié)構(gòu);

摩擦驅(qū)動(dòng)型結(jié)構(gòu)中的壓電粘滑致動(dòng)器的行進(jìn)距離受限于驅(qū)動(dòng)對(duì)象的尺寸,而慣性驅(qū)動(dòng)型結(jié)構(gòu)中的壓電粘滑致動(dòng)器的行進(jìn)距離在理論上沒(méi)有限制,由于沖擊原理使壓電致動(dòng)器具有精確運(yùn)動(dòng)的能力而受到重視,同時(shí)具有高分辨率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于小型化和集成等特點(diǎn)。

4.2 研究現(xiàn)狀

第一代沖慣性驅(qū)動(dòng)型壓電致動(dòng)器由Hu等[67]在1987年首次提出,還介紹了沖擊驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器定位系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)原理,制造了幾個(gè)原型,驗(yàn)證了沖擊驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)原理的可行性[68-69]。此后,許多研究人員對(duì)沖擊驅(qū)動(dòng)壓電致動(dòng)器的發(fā)展表現(xiàn)出了濃厚的興趣。

Mazeika等[25]研制了一種新型的小尺寸線性壓電慣性摩擦致動(dòng)器,如圖20所示。

此壓電致動(dòng)器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,由4個(gè)矩形雙晶片壓電板固定在2個(gè)金屬支架上,通過(guò)2個(gè)彈簧連接。致動(dòng)器的激勵(lì)可以通過(guò)單鋸齒或矩形脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)壓電作動(dòng)器進(jìn)行了數(shù)值研究,分析了作動(dòng)器的固有頻率、模態(tài)形狀和對(duì)不同激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)。驅(qū)動(dòng)電壓為40 V時(shí),滑塊的最大空載速度達(dá)到40.376 mm/s,驅(qū)動(dòng)電壓相同時(shí),致動(dòng)器的最大推力達(dá)到0.21 N。

不過(guò),一種能同時(shí)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)力和摩擦力的慣性沖擊壓電致動(dòng)器的具體結(jié)構(gòu)至今未被提出。也就是說(shuō),驅(qū)動(dòng)力和摩擦力對(duì)這種致動(dòng)器輸出性能的協(xié)同作用在理論上還不清楚,其工作機(jī)理尚不明確。目前迫切需要提出一種同時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)力和摩擦力的控制策略,從全局角度優(yōu)化慣性沖擊壓電陶瓷致動(dòng)器的輸出性能。

Wen等[26]提出了一種角度可調(diào)的慣性沖擊壓電致動(dòng)器,其結(jié)構(gòu)如圖21所示,它具有一對(duì)角度可調(diào)的振子,此裝置可以同時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)力和摩擦力的控制策略,從全局角度優(yōu)化慣性沖擊壓電陶瓷致動(dòng)器的輸出性能。

圖21 慣性沖擊壓電作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得,在傾角為60°,驅(qū)動(dòng)電壓為10 V時(shí),致動(dòng)器分辨率為0.24 μm,由于其輸出性能優(yōu)異,被廣泛應(yīng)用于精密制造領(lǐng)域。在驅(qū)動(dòng)電壓為90 V,傾角為75°的條件下,慣性沖擊壓電致動(dòng)器最大速度為15.54 μm/s。該團(tuán)隊(duì)為了尋找新的摩擦控制方法,提出了一種利用電磁鐵控制磁流變液的剪切力直接調(diào)節(jié)摩擦力的方法,研制了一種由兩端固定梁非對(duì)稱結(jié)構(gòu),以及由電磁鐵控制的磁流變液摩擦調(diào)節(jié)單元組成的壓電致動(dòng)器,其執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖22所示[27]。采用Matlab/Simulink和COMSOL對(duì)壓電陶瓷致動(dòng)器進(jìn)行了模態(tài)分析和動(dòng)力學(xué)分析。通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn),驗(yàn)證了電磁控制磁流變液用于摩擦調(diào)節(jié)的可行性。該致動(dòng)器采用電磁控制磁流變液?jiǎn)卧?無(wú)回退運(yùn)動(dòng)。在25 V、7 Hz的方波激勵(lì)信號(hào)下,磁場(chǎng)為19.5 mT時(shí),最小步進(jìn)位移為0.1,回退率為0.92;磁場(chǎng)為8.4 mT時(shí),最大步進(jìn)位移為2.53,回退率為0。

圖22 電磁控制磁流變液執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖

需要注意的是,由于在快速收縮階段,慣性力應(yīng)大于摩擦力,慣性塊的質(zhì)量必須大到足以產(chǎn)生慣性力。此外,沖擊力對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生不穩(wěn)定的振動(dòng),這也限制了沖擊驅(qū)動(dòng)壓電作動(dòng)器的廣泛應(yīng)用。為了克服此問(wèn)題,Higuchi等[70]首次闡述了粘滑致動(dòng)器的工作過(guò)程和基本構(gòu)成,該致動(dòng)器是由沖擊驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器改進(jìn)的。此后,粘滑型壓電致動(dòng)器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),受到了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。世界上首個(gè)粘滑型壓電驅(qū)動(dòng)裝置的研究是Pohl等[71]在西班牙的第一屆國(guó)際掃描隧道顯微學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表的。近年來(lái),壓電粘滑驅(qū)動(dòng)裝置的研究主要致力于解決機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化、驅(qū)動(dòng)原理改進(jìn)、摩擦性能調(diào)控及驅(qū)動(dòng)波形優(yōu)化等問(wèn)題[72]。

王吉如[28]在寄生慣性驅(qū)動(dòng)方法的基礎(chǔ)上,提出了通過(guò)放大壓電堆疊位移提升性能的粘滑型驅(qū)動(dòng)方法,研制了位移增幅型壓電驅(qū)動(dòng)裝置,其結(jié)構(gòu)如圖23所示。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了將橋式柔性機(jī)構(gòu)和杠桿柔性機(jī)構(gòu)串聯(lián)的新型柔性機(jī)構(gòu),疊加了位移放大能力。通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,得到在電壓幅值為100 V,頻率為1 Hz的條件下,該裝置的垂直負(fù)載上限為3.6 kg。驅(qū)動(dòng)裝置最高速度為18.08 mm/s,水平負(fù)載能力為120 g。Qiu等[29]提出了一種新的協(xié)同補(bǔ)償方法(CCM),補(bǔ)償粘滑致動(dòng)器的回退運(yùn)動(dòng),可提高速度,如圖24所示,該裝置的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖25所示。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得,此方法能有效地提高粘滑致動(dòng)器的步長(zhǎng),特別是在低頻驅(qū)動(dòng)下,當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率為10 Hz時(shí),帶有CCM的致動(dòng)器的步長(zhǎng)是傳統(tǒng)單驅(qū)動(dòng)方法的29倍以上,在驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為250 Hz時(shí),此方法的最大步長(zhǎng)為4.448 μm,超過(guò)傳統(tǒng)方法步長(zhǎng)的48%。該裝置需要進(jìn)一步研究前饋控制器與協(xié)同補(bǔ)償相結(jié)合的方法,以獲得更好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

圖23 位移增幅型驅(qū)動(dòng)裝置

圖24 粘滑致動(dòng)器三維圖

圖25 協(xié)同補(bǔ)償方法的鋸齒波驅(qū)動(dòng)信號(hào)曲線

粘滑型壓電致動(dòng)器是一種具有理論上可達(dá)到無(wú)限行程和納米級(jí)高定位分辨率的新型壓電致動(dòng)器,但面臨低負(fù)載能力的挑戰(zhàn),這限制了它的應(yīng)用領(lǐng)域。Zhang等[30]提出了一種通過(guò)共享驅(qū)動(dòng)足的方法,其結(jié)構(gòu)如圖26所示,基本思想是采用2個(gè)壓電元件和一個(gè)共用的驅(qū)動(dòng)足,向前或向后驅(qū)動(dòng),并且兩者都涉及在“粘”運(yùn)動(dòng)階段的夾緊動(dòng)作和在“滑”運(yùn)動(dòng)階段的釋放動(dòng)作,從而可以在2個(gè)驅(qū)動(dòng)方向上實(shí)現(xiàn)大的驅(qū)動(dòng)力/負(fù)載能力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性,在100 V、1 kHz的鋸齒波電壓下,樣機(jī)空載前進(jìn)和后退速度分別高達(dá)18.6 mm/s和 16 mm/s,2個(gè)驅(qū)動(dòng)方向的負(fù)載能力均大于2 kg,向前和向后的驅(qū)動(dòng)速度分別為1.8 mm/s和 0.6 mm/s。Shi等[31]提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊、可實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的新型直線型粘滑致動(dòng)器,其結(jié)構(gòu)如圖27所示。

圖26 共享驅(qū)動(dòng)足型粘滑驅(qū)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

此裝置采用新型對(duì)稱結(jié)構(gòu)菱形位移放大機(jī)構(gòu)產(chǎn)生橫向運(yùn)動(dòng),提高了致動(dòng)器的性能。此外,還提出了一種2個(gè)驅(qū)動(dòng)足共同作用的新型驅(qū)動(dòng)方法,可以提高作動(dòng)器的負(fù)載能力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)前后運(yùn)動(dòng)的最大速度分別為428.5、443.2 μm/s。與單足驅(qū)動(dòng)方法相比,采用新的驅(qū)動(dòng)方法后,致動(dòng)器的承載能力由1.2 N提高到1.6 N。最后,利用該致動(dòng)器搭建了一個(gè)微定位工作臺(tái),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該工作臺(tái)工作穩(wěn)定?，F(xiàn)有的粘滑驅(qū)動(dòng)平臺(tái)在重載的情況下很難實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng),限制了輸出性能。為了實(shí)現(xiàn)在載荷作用下的平滑運(yùn)動(dòng),Ding等[32]提出了一種采用交替步進(jìn)法的粘滑致動(dòng)器,如圖28所示。2個(gè)驅(qū)動(dòng)足協(xié)同推動(dòng)滑塊通過(guò)一個(gè)壓電堆疊。試驗(yàn)結(jié)果表明,此次的粘滑型壓電致動(dòng)器具有極高的適應(yīng)性,所設(shè)計(jì)的致動(dòng)器在空載和水平載荷條件下具有良好的平滑性,最大速度和分辨率分別為24.42 mm/s、0.80 μm。

圖28 交替步進(jìn)法的粘滑致動(dòng)器

近些年,隨著粘滑驅(qū)動(dòng)裝置在微/納定位行業(yè)的興起,國(guó)內(nèi)研發(fā)與制作粘滑型壓電驅(qū)動(dòng)裝置的公司如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái),如哈爾濱芯明天科技有限公司、阿米精控科技(山東)有限公司等。其中,阿米精控科技(山東)有限公司生產(chǎn)的一維長(zhǎng)行程納米促動(dòng)器如圖29所示,該產(chǎn)品具有10 mm～數(shù)百毫米的超大行程;重復(fù)定位精度小于5 nm;運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)10 mm/s;保持力可達(dá)8 N,具有很好的穩(wěn)定性。此外,該公司也生產(chǎn)二維、三維長(zhǎng)行程納米促動(dòng)器(圖片來(lái)源于公司官網(wǎng))[76]。

圖29 阿米精控科技有限公司生產(chǎn)的一維納米致動(dòng)器實(shí)物圖

德國(guó)的Physik Instrumente(PI)公司生產(chǎn)的線性平臺(tái),其行程范圍為12～32 mm,速度為6～8 mm/s,驅(qū)動(dòng)力一般為7 N,定位精度為納米級(jí)。圖30為PI公司生產(chǎn)的Q-545 Q-Motion?精密線性平臺(tái)。

粘滑型壓電致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)可分為“粘”運(yùn)動(dòng)階段和“滑”運(yùn)動(dòng)階段,當(dāng)前壓電粘滑驅(qū)動(dòng)技術(shù)的相關(guān)研究主要從新構(gòu)型、新方法等方面開(kāi)展[65-66],其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于封裝,同時(shí)理論上可實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)輸出行程及納米級(jí)定位精度的跨尺度驅(qū)動(dòng),但由于其驅(qū)動(dòng)原理所造成的位移回退,使致動(dòng)器存在大行程、高精度與高負(fù)載等難以同時(shí)兼顧的問(wèn)題;因結(jié)構(gòu)限制少數(shù)通過(guò)多驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)摩擦力綜合調(diào)控以減小位移回退量的致動(dòng)器,難以實(shí)現(xiàn)雙向驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),從而制約了壓電粘滑致動(dòng)器的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用[73-74]。

5 對(duì)比與展望

基于以上綜述,表1總結(jié)出了3種步進(jìn)型壓電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的性能比較。可以明顯看出,尺蠖型壓電致動(dòng)器具有較高的定位精度和較大的輸出能力,但是運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較低且控制方法復(fù)雜;粘滑型壓電致動(dòng)器具有相對(duì)較均衡的性能,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、輸出力較高,并且可實(shí)現(xiàn)大工作行程。融入仿生設(shè)計(jì)后,粘滑壓電致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)更具多樣性,滿足了許多特定需求。但是達(dá)到大行程的同時(shí),粘滑壓電致動(dòng)器的速度和分辨率等輸出特性又會(huì)受到影響。因此,還需要進(jìn)一步研究高性能的大行程粘滑壓電致動(dòng)器。

表1 各類型步進(jìn)壓電致動(dòng)器的輸出性能對(duì)比

在前人對(duì)步進(jìn)式壓電致動(dòng)器研究的基礎(chǔ)上,對(duì)步進(jìn)式壓電致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)原理和性能進(jìn)行了分析。但要克服這3種類型壓電致動(dòng)器存在的問(wèn)題[75],增強(qiáng)其實(shí)際應(yīng)用,還需進(jìn)一步研究：

1) 與其他2種類型的步進(jìn)型壓電致動(dòng)器相比,尺蠖型壓電致動(dòng)器雖然可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的負(fù)載,但是其結(jié)構(gòu)與控制方法比較復(fù)雜。在以后的研究過(guò)程中應(yīng)探索通過(guò)設(shè)計(jì)巧妙的柔性機(jī)構(gòu)或新穎的制造方法來(lái)進(jìn)一步簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)。

2) 雖然超聲型壓電致動(dòng)器的輸出性能比其他2種步進(jìn)型壓電致動(dòng)器好,但是其控制方法比較復(fù)雜,應(yīng)該探索更簡(jiǎn)單有效的法,簡(jiǎn)化其控制難度,并且動(dòng)子與定子之間是通過(guò)摩擦傳遞動(dòng)力,會(huì)影響其使用壽命,這也是在以后研究過(guò)程中需要解決的問(wèn)題。

3) 雖然粘滑型壓電致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和控制相對(duì)簡(jiǎn)單,但是承載能力較低,并且由于運(yùn)動(dòng)原理,步進(jìn)運(yùn)動(dòng)中普遍存在回退運(yùn)動(dòng)。因此,提高其承載能力和抑制后移的研究還有待深入。

由于壓電致動(dòng)器應(yīng)用與微/納米定位系統(tǒng)中,所以以上3種致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)要盡量緊湊,尺寸要盡可能小,而且需要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),以獲取更良好的輸出性能。

6 結(jié)束語(yǔ)

1) 本文綜述了步進(jìn)型壓電致動(dòng)器的研究現(xiàn)狀,重點(diǎn)介紹了3種類型的步進(jìn)型壓電致動(dòng)器(尺蠖型、超聲型、粘滑型),與其他類型的壓電致動(dòng)器相比,步進(jìn)型壓電致動(dòng)器不僅可以實(shí)現(xiàn)較大的工作行程,而且可以獲得較高的定位精度。

2) 對(duì)這3種步進(jìn)式壓電致動(dòng)器的工作原理與研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述與討論,將國(guó)內(nèi)外商用產(chǎn)品的輸出性能進(jìn)行了對(duì)比,國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品的輸出性能與國(guó)外公司的產(chǎn)品有一定差距,但性價(jià)比高。

3) 對(duì)以后的發(fā)展進(jìn)行了展望。尺蠖型壓電致動(dòng)器要向更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)與控制方向發(fā)展;超聲型壓電致動(dòng)器要改善摩擦帶來(lái)的影響,提高使用壽命;粘滑型壓電致動(dòng)器對(duì)提高承載能力以及抑制后退的方法還需要進(jìn)一步研究。目前的步進(jìn)型壓電致動(dòng)器仍需改善其輸出性能并滿足實(shí)際應(yīng)用中不斷變化的要求。