黃衛(wèi)清 薛昊東 安大偉

【摘 要】 V形壓電直線電機(jī)是一種結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快速、機(jī)械輸出性能良好的壓電直線電機(jī)，目前在深空探測裝備的精密驅(qū)動、生物醫(yī)學(xué)的細(xì)胞微操作和航空航天飛行器的精密控制上得到了廣泛應(yīng)用，V形壓電直線電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提高了壓電直線電機(jī)的輸出特性，對拓展壓電直線電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域有著非常重要的意義。文章闡明了V形壓電直線電機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀以及其研究與應(yīng)用的必要性，通過分析近年來國內(nèi)外學(xué)者對V形壓電電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的技術(shù)成果，總結(jié)出影響V形壓電直線電機(jī)輸出性能的主要因素，同時對V形壓電直線電機(jī)的有待進(jìn)一步探索和研究的問題做出了展望。

【關(guān)鍵詞】 V形壓電直線電機(jī);運(yùn)動機(jī)理;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;夾持裝置

【中圖分類號】 TM359.4 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）02-0088-03

壓電直線電機(jī)是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)來激勵彈性體定子的微幅振動，通過摩擦接觸來帶動動子的宏觀運(yùn)動。壓電直線電機(jī)具有速度高、推重比大和結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。1982年，由Sashida提出的基于蘭杰文換能器的壓電電機(jī)結(jié)構(gòu)[1]，標(biāo)志著V形結(jié)構(gòu)的壓電直線電機(jī)的問世。V形壓電直線電機(jī)優(yōu)異的輸出特性使其逐漸運(yùn)用到各個領(lǐng)域，在航空航天、精密控制、生物工程和光學(xué)領(lǐng)域都具有光明的運(yùn)用前景[2]。

1 V形壓電電機(jī)壓電振子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

V形壓電直線電機(jī)主要由定子和動子兩部分組成，利用對稱與反對稱模態(tài)工作。電機(jī)的定子由兩個壓電復(fù)合梁通過柔性鉸鏈呈“V”字形連接在一起。為了進(jìn)一步提升V形壓電直線電機(jī)的輸出性能，不同結(jié)構(gòu)的V形電機(jī)不斷地涌現(xiàn)出來，以獲得更大的輸出效率。

1.1貼片式V形壓電直線電機(jī)

貼片式壓電直線電機(jī)由兩個壓電振子通過柔性鉸鏈連接，壓電振子由兩片極化相反的壓電陶瓷片貼在彈性金屬體上，左右兩個振子分別在上下兩個壓電陶瓷施加相反相位的電壓信號，就可以得到對稱模態(tài)和反對稱模態(tài)，如圖1所示。

2010年，Shi等人提出了一種面內(nèi)模態(tài)的貼片式駐波壓電作動器[3]，在三角位移放大機(jī)構(gòu)的金屬板的表面粘貼了兩片壓電元件，并施加具有/2相位差的電信號激發(fā)放大機(jī)構(gòu)從而產(chǎn)生橢圓軌跡，由于壓電元器件的限制，該電機(jī)不易于實現(xiàn)小型化。2011年，韓國學(xué)者Jeong設(shè)計了一種貼片式V形壓電直線電機(jī)[4]，該電機(jī)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了電機(jī)的微型化，壓電陶瓷片長11mm，寬2mm，厚度為0.2mm，通過實驗改變V形結(jié)構(gòu)的夾角，獲得最大轉(zhuǎn)速700rpm，最大力矩為0.8Ncm。該電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單尺寸微小，具備了更好的經(jīng)濟(jì)性和實用性。2017年，Yang等人為了改良兩相振動頻率的不一致，將U形貼片式壓電電機(jī)的拱梁形結(jié)構(gòu)改成具有夾角的V形結(jié)構(gòu)，通過確定定子靈敏度因素，優(yōu)化了V形結(jié)構(gòu)夾角角度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，在夾角定子90°，350Vpp電壓下，最大空載速度為1.2m/s，300Vpp電壓下，最大輸出力為15N[5]。

1.2夾心式壓電直線電機(jī)

夾心式V形壓電直線電機(jī)主要通過螺栓將彈性體和壓電元件連接在一起，彈性體分為前端蓋（驅(qū)動端面）和后端蓋，共同形成夾合結(jié)構(gòu)。1998年，Kasawa提出的大推力壓電直線電機(jī)就是一款最經(jīng)典的復(fù)合模態(tài)夾心式V形壓電直線電機(jī)，開啟了夾心式壓電電機(jī)的廣泛研究熱潮。2009年，Yang等人將傳統(tǒng)直桿結(jié)構(gòu)振子改進(jìn)成線性的變截面桿[6]，通過有限元法仿真，有效放大了定子振幅，得到了更好的輸出性能，但是由于實驗中接觸面和動子之間的摩擦損耗，對電機(jī)的輸出性能有一定程度的影響，在預(yù)壓力為50N，驅(qū)動電壓有效值110V時，得到最大輸出力21.4N，如圖2所示。

2013年，許海等人針對V形壓電直線電機(jī)的斜橢圓運(yùn)動軌跡進(jìn)行了完整的過程分析并建立了機(jī)械特性方程，為之后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。2019年，姚志遠(yuǎn)等人利用模態(tài)耦合的工作原理，提出了一種由矩形板組成的壓電直線電機(jī)[7]，該設(shè)計易于在狹窄空間作業(yè)，通過對定子前端蓋的優(yōu)化增大了振幅，預(yù)壓力為200N，電壓500V條件下，最大推力達(dá)到70N。

1.3雙驅(qū)動足壓電直線電機(jī)

在前面的V形夾心式壓電直線電機(jī)的基礎(chǔ)上，2008年李玉寶等提出了一種蝶形雙足驅(qū)動壓電直線電機(jī)[8]，如圖3所示，分析共振頻率并優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù)，使兩相共振頻率達(dá)到了一致，并獲得了較大的輸出效率。

2 V形壓電直線電機(jī)夾持裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

彈性夾持裝置是連接電機(jī)動子和定子的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，合理的夾持裝置影響電機(jī)的輸出效率、穩(wěn)定性能和位移分辨率。2011年，于會民等人提出了一種基于直圓柔性鉸鏈的夾持裝置[9]，預(yù)壓力通過螺栓壓縮碟簧施加，通過機(jī)械特性試驗，該方案有效地提高了電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和機(jī)械性能，最大輸出力達(dá)到了28.8N。

2012年，胡寧等人設(shè)計了一種帶柔性鉸鏈的V形壓電電機(jī)夾持裝置[10]，該裝置兩邊的鉸鏈用于加載預(yù)壓力，中間的鉸鏈用于減緩定子裝配的附加應(yīng)力，并減少對模態(tài)的影響，實驗表明，該夾持裝置對模態(tài)無干擾，兩相一致性良好。2015年，簡月等人探討了夾持裝置的設(shè)計方法[11]，建立了柔性夾持結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，以此為基礎(chǔ)設(shè)計了一種新型梁式夾持裝置，如圖4所示。實驗表明，相比于傳統(tǒng)的柔性圓弧式夾持裝置其有更好的輸出力和輸出速度，但是該實驗沒有考慮夾持裝置對定子振幅的影響，也缺少夾持裝置的加裝位置和模態(tài)變化之關(guān)系的研究。

3 V形壓電直線電機(jī)輸出效率優(yōu)化分析

2004年完整的傳動力學(xué)模型和電機(jī)控制模型的建立，為推進(jìn)V形壓電直線電機(jī)實驗奠定了理論基礎(chǔ)。之后，學(xué)者們對V形壓電直線電機(jī)進(jìn)行了多種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，通過上述文獻(xiàn)分析可以得出壓電振子結(jié)構(gòu)、夾持裝置結(jié)構(gòu)、預(yù)壓力、驅(qū)動電壓、驅(qū)動電壓頻率、壓電材料對輸出特性有著直接的影響，采用高壓驅(qū)動、高預(yù)緊力，可以得到較大的輸出力。在分析過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)預(yù)緊力增大到一定值時輸出特性變差且穩(wěn)定性降低，這是由于壓電直線電機(jī)的輸出力和速度的大小主要依靠定子和導(dǎo)軌接觸面上的摩擦動力的傳輸，高預(yù)緊力使V形結(jié)構(gòu)的壓電直線電機(jī)更接近“整體”，但會破壞應(yīng)變和電場之間的線性關(guān)系，同時夾持機(jī)構(gòu)的緩變會造成振幅的跳躍和滯回等現(xiàn)象;定子和導(dǎo)軌之間的摩擦磨損也會對V形壓電直線電機(jī)的機(jī)械特性和應(yīng)用壽命造成直接影響。因此合適的預(yù)緊力、定子表面摩擦材料、摩擦的補(bǔ)償方法、穩(wěn)定的激勵電壓幅值、直線電機(jī)控制技術(shù)的優(yōu)化也是影響壓電直線電機(jī)的非線性行為，影響壓電直線電機(jī)的穩(wěn)定性及推力的重要因素。

4結(jié)論

V形壓電直線電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提高了壓電直線電機(jī)的輸出特性，對拓展壓電直線電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域有著非常重要的意義。本文從V形壓電電機(jī)壓電振子、夾持裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化及V形壓電直線電機(jī)的非線性抑制三方面對近些年關(guān)于V形壓電直線電機(jī)技術(shù)的分析和總結(jié)，V形壓電直線電機(jī)的研究在取得很多成果的同時仍然存在有待進(jìn)一步探索和研究的的問題。

通過不同結(jié)構(gòu)的V形壓電直線電機(jī)研究得出影響輸出特性的參數(shù)有電壓、頻率、預(yù)壓力、相位差等變量，為了使電機(jī)可以運(yùn)用在不同場合，優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)的同時，減小驅(qū)動電壓，簡化驅(qū)動電路是今后的進(jìn)一步研究方向，減少變量以優(yōu)化直線電機(jī)的設(shè)計方法;由于夾持裝置提供的預(yù)壓力會對模態(tài)變化產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)發(fā)生質(zhì)心震顫時正負(fù)相機(jī)械輸出特性也會存在差異，因此，設(shè)計一體化、輕量化夾持結(jié)構(gòu)來減輕對輸出效率的影響和縮小電機(jī)尺寸也是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。

通過對文獻(xiàn)的研究發(fā)現(xiàn)，目前對V形壓電直線電機(jī)的研究偏向于結(jié)構(gòu)設(shè)計，在理論模型方向上研究較少。當(dāng)振動能傳輸在V形結(jié)構(gòu)兩個振子的耦合點(diǎn)時，能量會發(fā)生傳輸和反射現(xiàn)象，同時不同的振動波會相互轉(zhuǎn)化。在精密驅(qū)動領(lǐng)域，電機(jī)納米級的精度要求和可靠的持續(xù)工作狀態(tài)是能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵，所以需要建立整機(jī)動力學(xué)模型來優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)、設(shè)計驅(qū)動電路、預(yù)估電機(jī)性能和提高控制精度。

電機(jī)定子主要依靠接觸摩擦來帶動動子運(yùn)動實現(xiàn)動力輸出，所以摩擦接觸制約了動子的輸出位移和輸出精度。需要進(jìn)一步加強(qiáng)對摩擦動力耦合機(jī)理的理論研究，在驅(qū)動端面和動子之間嘗試使用不同的摩擦幅，并建立摩擦動力學(xué)模型，提高摩擦耦合效率;嘗試改變驅(qū)動端面和動子接觸面的材料，例如使用無機(jī)非金屬材料或高強(qiáng)度復(fù)合材料，以減小摩擦系數(shù);采用摩擦補(bǔ)償?shù)目刂品椒ǎ討B(tài)的摩擦過程的模型來提高機(jī)械輸出性能。

V形壓電直線電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但存在輸出效率不足的弊端，因此應(yīng)用場所受到限制。今后應(yīng)繼續(xù)增加多模式壓電電機(jī)的研究，根據(jù)具體應(yīng)用場合優(yōu)化設(shè)計方法和系統(tǒng)集成方法，配合多模式動作器驅(qū)動控制技術(shù)，采用新型壓電材料來提高電機(jī)輸出效率，實現(xiàn)高精度定位的多維化應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Sashida T. Trial Construction and operation of an ultrasonic vibration driven motor： theoretical and experimental investigation of its performances[J].Oyobuturi，1982（51）：713-720.

[2]An D，Yang M，Zhuang X，et al. Dual traveling wave rotary ultrasonic motor with single active vibrator[J].Applied Physics Letters， 2017，110（14）：143507.

[3]An D， Ning Q，Huang W， et al. Effect of damping factor variation on eigenfrequency drift for ultrasonic motors[C]//International Conference on Intelligent Robotics and Applications.Springer，Cham， 2019：285-291.

[4]Jeong S S，Park T G，Kim M H， et al. Characteristics of a V-type ultrasonic rotary motor[J].Current Applied Physics，2011，11（3）：S364-S367

[5]Li X，Yao Z，Yang M.A novel large thrust-weight ratio V-shaped linear ultrasonic motor with a flexible joint[J].Review of Scientific Instruments，2017， 8（6）：65003.

[6]楊東，姚志遠(yuǎn).雙變幅桿V形直線超聲電機(jī)研究[J].壓電與聲光，2009，31（5）：685-687，691.

[7]張百亮，姚志遠(yuǎn)，簡月，等.基于彎曲模態(tài)的板形直線超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].振動與沖擊，2019，38（1）：110-117.

[8]李玉寶，時運(yùn)來，趙淳生.蝶形雙驅(qū)動足直線超聲電機(jī)設(shè)計及實驗[J].光學(xué)精密工程，2008，16（12）：2327-2333.

[9]于會民，陳乾偉，黃衛(wèi)清.柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)夾持的直線型超聲電機(jī)[J].微電機(jī)，2011，44（3）：1-4.

[10]胡寧，姚志遠(yuǎn)，趙文濤.直線超聲電機(jī)柔性夾持元件的設(shè)計[J].中國機(jī)械工程，2012，23（9）：1089-1091，1098.

[11]簡月，姚志遠(yuǎn)，楊模尖，等.V型直線超聲電機(jī)梁式夾持的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].光學(xué)精密工程，2015，23（5）：1358-1364.