李 爭(zhēng)，郭戰(zhàn)雨，韓海濤，蘇秩榮

(河北科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，石家莊 050018)

0 引 言

隨著對(duì)精密定位的要求越來(lái)越高，壓電致動(dòng)器在微驅(qū)動(dòng)和微操作領(lǐng)域起到了重要作用，科研人員對(duì)這領(lǐng)域的探索越來(lái)越深入[1-4]。與傳統(tǒng)的電磁致動(dòng)器不同，壓電致動(dòng)器是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)來(lái)激勵(lì)定子彈性體的振動(dòng)，通過(guò)與動(dòng)子的接觸摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)位移輸出，其不會(huì)受到電磁干擾的影響，可以在強(qiáng)磁環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。此外，壓電致動(dòng)器還具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、輸出力矩大和起動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)[5-8]。研究學(xué)者在壓電致動(dòng)器領(lǐng)域提出了眾多類(lèi)型的結(jié)構(gòu)，適用于不同的場(chǎng)合，其中線(xiàn)性壓電致動(dòng)器能夠直接產(chǎn)生直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和輸出推力，可以步進(jìn)和伺服工作，開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景廣闊[9-11]。

直線(xiàn)形壓電致動(dòng)器是壓電致動(dòng)器中一個(gè)分支，其具有長(zhǎng)行程運(yùn)動(dòng)、定位精度高和控制策略簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展中，已研究出數(shù)百種結(jié)構(gòu)的直線(xiàn)形壓電致動(dòng)器，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越完善且精密度不斷提高，但尚未大規(guī)模地應(yīng)用于生產(chǎn)生活中[12-14]。相對(duì)于電磁致動(dòng)器而言，壓電致動(dòng)器的發(fā)展還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠成熟，在結(jié)構(gòu)實(shí)用性、動(dòng)力學(xué)分析、運(yùn)行摩擦損耗分析和運(yùn)動(dòng)反饋控制等方面還需要研究學(xué)者進(jìn)行大量的研究和實(shí)驗(yàn)來(lái)建立完整的體系理論[15]。

本文對(duì)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方式為線(xiàn)性的壓電致動(dòng)器作了歸類(lèi)概述分析，根據(jù)不同的工作機(jī)理，將各類(lèi)型致動(dòng)器進(jìn)行劃分，并列舉了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者設(shè)計(jì)的典型結(jié)構(gòu)，對(duì)其特點(diǎn)和運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行了歸納與總結(jié)，然后探尋了直線(xiàn)形壓電致動(dòng)器的當(dāng)前應(yīng)用及未來(lái)面臨的挑戰(zhàn)。

1 直線(xiàn)形壓電致動(dòng)器的概述

直線(xiàn)形壓電致動(dòng)器的組成通常包含壓電元件、定子彈性體和滑塊(動(dòng)子)。其致動(dòng)原理是利用壓電元件激勵(lì)定子彈性體的振動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)端產(chǎn)生橢圓軌跡、斜直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)或慣性推力等驅(qū)動(dòng)滑塊進(jìn)行線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)[17-18]。因致動(dòng)器種類(lèi)繁多，可以從不同角度來(lái)描述它們的工作機(jī)理，現(xiàn)在有多種分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示，本文從致動(dòng)器的振動(dòng)狀態(tài)上將其分為諧振式和非諧振式兩種類(lèi)型。諧振式壓電致動(dòng)器利用電流激勵(lì)定子產(chǎn)生高頻振動(dòng)，激勵(lì)頻率一般大于20 kHz，也可以稱(chēng)作超聲波電機(jī)，其工作在諧振頻率處驅(qū)動(dòng)動(dòng)子最大速度可以超過(guò)1 m/s。非諧振式壓電致動(dòng)器利用低頻電壓激勵(lì)定子彈性體的靜態(tài)形變，直接產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)滑塊的線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)，能夠長(zhǎng)行程運(yùn)動(dòng)且具有納米級(jí)驅(qū)動(dòng)能力[19-21]。

圖1 直線(xiàn)形壓電致動(dòng)器的分類(lèi)

諧振式直線(xiàn)形壓電致動(dòng)器是利用定子的振型疊加或者特殊傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子。從致動(dòng)器的振動(dòng)形態(tài)上可以分為單振型和雙振型[22-23]。通過(guò)諧振工作狀態(tài)，可以獲得高速的線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)，張帆等人利用兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的朗之萬(wàn)振蕩器設(shè)計(jì)的新型直線(xiàn)壓電致動(dòng)器最高速度可達(dá)947 mm/s[24]，劉英想等人設(shè)計(jì)的彎曲振動(dòng)的大功率直線(xiàn)壓電致動(dòng)器的速度可以達(dá)到1 527 mm/s[25]。然而，諧振式壓電致動(dòng)器的位移分辨率通常被限制在微米或者亞微米級(jí)。Asumi等人改進(jìn)的V形壓電致動(dòng)器精度為20 mm[26]，Yoon等人設(shè)計(jì)的小型直線(xiàn)壓電致動(dòng)器精度達(dá)到了3.12 μm[27]。

與諧振式壓電致動(dòng)器相比，非諧振式壓電致動(dòng)器具有較高的運(yùn)動(dòng)分辨率，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓，致動(dòng)器可以產(chǎn)生納米級(jí)分辨率的微變形。徐冬梅等人設(shè)計(jì)的非諧振壓電致動(dòng)器步進(jìn)位移精度可以達(dá)到50 nm[28]，李建平等人利用寄生運(yùn)動(dòng)原理提出的新型壓電致動(dòng)器，分辨率達(dá)到了10 nm[29]。此外，在非諧振壓電致動(dòng)器設(shè)計(jì)中不需要考慮頻率退化，并且致動(dòng)器在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中沒(méi)有明顯的發(fā)熱。目前為止，已經(jīng)提出了具有不同配置和工作原理的非諧振壓電致動(dòng)器，其中，具有線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)能力的非諧振壓電致動(dòng)器主要分為沖擊式、粘滑式和尺蠖式[30-31]。

2 諧振式直線(xiàn)形壓電致動(dòng)器的機(jī)理分析

2.1 單振型

單振型相比于雙振型壓電致動(dòng)器，其僅僅需要一種模態(tài)振型便可驅(qū)動(dòng)動(dòng)子進(jìn)行線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)，施加的電壓信號(hào)也較為單一，所以致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)控制策略更加簡(jiǎn)單。單振型的直線(xiàn)壓電致動(dòng)器通常將定子設(shè)計(jì)為一種特殊結(jié)構(gòu)，利用壓電元件激勵(lì)其相應(yīng)的振動(dòng)模態(tài)，在定子驅(qū)動(dòng)端產(chǎn)生縱向和橫向的耦合位移，通過(guò)定子和動(dòng)子之間的摩擦接觸驅(qū)動(dòng)滑塊線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)。單振型壓電致動(dòng)器不需要調(diào)整兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)的諧振頻率大小，這就使得單振型致動(dòng)器的設(shè)計(jì)更加易于小型化。1998年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)何思源等人研制了一種駐波雙向直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)[32]，如圖2所示。這種直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的基本原理是駐波波峰右側(cè)的凸起對(duì)壓在突起上的滑塊產(chǎn)生對(duì)角推力向右移動(dòng)。同理，波峰左側(cè)的突起使滑塊向左移動(dòng)。通過(guò)激勵(lì)振動(dòng)模態(tài)B3或B4，在波峰右側(cè)或左側(cè)形成凸起。該超聲波電動(dòng)機(jī)構(gòu)造簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)控制方便，最大速度達(dá)到200 mm/s且分辨率小于0.1 μm。

圖2 板式駐波雙向直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)

2017年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)張強(qiáng)等人[33]設(shè)計(jì)了一種定子為蛙形結(jié)構(gòu)的致動(dòng)器，通過(guò)其一階振動(dòng)模態(tài)在驅(qū)動(dòng)端產(chǎn)生斜直線(xiàn)軌跡來(lái)驅(qū)動(dòng)滑軌，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。驅(qū)動(dòng)部分僅由一組沿厚度方向極化的壓電陶瓷按正負(fù)相間排列組成，通過(guò)壓電陶瓷激勵(lì)推動(dòng)或拉動(dòng)與其相連接的前后角結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)足為W形臂的結(jié)構(gòu)，使得其能夠在被推動(dòng)時(shí)產(chǎn)生橫向擴(kuò)張的運(yùn)動(dòng)，以此提供對(duì)動(dòng)子的夾緊力，結(jié)合壓電陶瓷本身的縱向形變使驅(qū)動(dòng)足產(chǎn)生縱向運(yùn)動(dòng)，從而使具有對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器上下兩部分能夠交替驅(qū)動(dòng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)。電機(jī)在電壓值為275 V的激勵(lì)下，空載速度為241.6 mm/s，在預(yù)壓力60 N下，推力為11.8 N。

圖3 蛙形線(xiàn)性壓電致動(dòng)器

2.2 雙振型

雙振型壓電致動(dòng)器一般采用兩種不同的工作模態(tài)，進(jìn)行疊加耦合后，在驅(qū)動(dòng)足附近生成橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)壓電陶瓷片施加兩相具有一定相位差的交流電壓，激勵(lì)產(chǎn)生兩種不同振動(dòng)模態(tài)，改變電壓信號(hào)的相位，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)子反向運(yùn)動(dòng)。此外，兩種激勵(lì)信號(hào)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)橢圓運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)分量和擠壓分量，因?yàn)槠淇v向位移和橫向位移由兩種振動(dòng)模態(tài)控制。圖4為該類(lèi)型致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)足的軌跡位移圖。通過(guò)兩個(gè)模態(tài)的疊加，驅(qū)動(dòng)足會(huì)經(jīng)歷4個(gè)位置形成一個(gè)橢圓，在橢圓的后半部分會(huì)與動(dòng)子接觸，推動(dòng)其產(chǎn)生一段位移。

圖4 定動(dòng)子接觸軌跡圖

兩種振動(dòng)模態(tài)耦合一般為兩個(gè)不同方向的模態(tài)，例如縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、橫向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、兩種正交的縱向振動(dòng)、兩種正交的橫向振動(dòng)和兩種正交的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等。致動(dòng)器定子分別提供兩個(gè)方向的振動(dòng)模態(tài)，其頻率需要十分接近，以保證電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。圖5為雙振型壓電致動(dòng)器尺寸調(diào)整參數(shù)流程圖。首先需要設(shè)計(jì)好模型的大概尺寸，選擇比較靈敏的位置進(jìn)行兩個(gè)諧振的調(diào)頻，經(jīng)過(guò)多次修改靈敏處的參數(shù)大小來(lái)構(gòu)建參數(shù)化方程和尺寸變化范圍，將每一次設(shè)置好的結(jié)構(gòu)模型參數(shù)代入有限元仿真軟件中，并提取和比對(duì)兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)頻率的大小，直到其差值達(dá)到所設(shè)定的范圍內(nèi)。

圖5 雙振型壓電致動(dòng)器調(diào)整參數(shù)流程圖

1998年，東京大學(xué)Kuribayash等人[34]首次提出了采用兩個(gè)夾心振動(dòng)器的超聲波電動(dòng)機(jī)，即V形壓電致動(dòng)器，致動(dòng)器在頂端以直角相交，結(jié)構(gòu)如圖6所示。它有兩種振動(dòng)模式，分別為對(duì)稱(chēng)模態(tài)和非對(duì)稱(chēng)模態(tài)，采用對(duì)稱(chēng)模態(tài)激勵(lì)驅(qū)動(dòng)端產(chǎn)生法向運(yùn)動(dòng)，非對(duì)稱(chēng)模態(tài)激勵(lì)驅(qū)動(dòng)端的橫向運(yùn)動(dòng)。致動(dòng)器采用熱處理后的高強(qiáng)度鉻錳鋼螺栓連接壓電陶瓷片，該材料具有承受沖擊、擠壓、物料磨損等惡劣工況的特性，可提高致動(dòng)器的輸出力和功率。致動(dòng)器空載最大速度為3.5 m/s，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為500 V，預(yù)緊力為150 N時(shí)，輸出推力可以達(dá)到39 N、速度為0.55 m/s。

圖6 V形壓電致動(dòng)器

2013年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉英想等人[25]提出了一種彎曲振動(dòng)的大功率直線(xiàn)壓電致動(dòng)器。致動(dòng)器由兩部分相同且對(duì)稱(chēng)分布的結(jié)構(gòu)組成，使用共8個(gè)沿厚度方向極化的方形陶瓷疊片，兩兩結(jié)對(duì)作為驅(qū)動(dòng)源，結(jié)構(gòu)如圖7所示。將兩組壓電陶瓷片橫向排列使其縱向偏振，同理，將兩組壓電陶瓷片縱向排列使其橫向偏振。將4組陶瓷片進(jìn)行組合后，通過(guò)信號(hào)激勵(lì)便可在驅(qū)動(dòng)足處形成橢圓軌跡的運(yùn)動(dòng)，利用驅(qū)動(dòng)足下表面作為與動(dòng)子的接觸部分，對(duì)動(dòng)子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。致動(dòng)器在空載情況下，速度可以達(dá)到1 527 mm/s，輸出推力為50 N。

圖7 雙足彎振直線(xiàn)形壓電致動(dòng)器

2018年，沙里夫理工大學(xué)的Sanikhani等人[35]提出了一種橢圓金屬定子的壓電致動(dòng)器，利用橢圓形的兩個(gè)正交振動(dòng)模態(tài)疊加產(chǎn)生橢圓軌跡，致動(dòng)器由橢圓形定子、支撐結(jié)構(gòu)和直線(xiàn)滑軌構(gòu)成，如圖8所示。在橢圓殼體內(nèi)部，沿主軸方向安裝了兩個(gè)被中心質(zhì)量隔開(kāi)的壓電陶瓷疊堆，在定子內(nèi)產(chǎn)生所需的振動(dòng)。壓電陶瓷片是圓形結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺柱螺桿機(jī)構(gòu)在橢圓殼和中心質(zhì)量之間施加預(yù)壓力。這種預(yù)壓力調(diào)節(jié)的方式確保了致動(dòng)器振動(dòng)的完整傳輸結(jié)構(gòu)，但預(yù)壓力不可過(guò)大，否則會(huì)引起定子開(kāi)裂。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較新穎，實(shí)驗(yàn)表明，電壓為70 V和預(yù)緊力為12 N下，電機(jī)空載速度為40 mm/s，最大推力為1.55 N。

在現(xiàn)階段的研究中，經(jīng)過(guò)科研人員的不懈努力創(chuàng)新，各種結(jié)構(gòu)的諧振型壓電驅(qū)動(dòng)器被設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出來(lái)，其利用壓電振動(dòng)激勵(lì)的方式有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但由于致動(dòng)器主要傳動(dòng)方式還是以摩擦耦合為主，如果長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，定動(dòng)子間的摩擦?xí)鸾佑|端溫度上升明顯和金屬材料的損耗嚴(yán)重，這會(huì)直接導(dǎo)致定子的諧振頻率漂移，從而導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能的下降，在實(shí)際應(yīng)用上尚存在不足，目前大部分所設(shè)計(jì)的致動(dòng)器還只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段。但也有部分致動(dòng)器在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行嘗試，如蘆小龍等人利用線(xiàn)性壓電致動(dòng)器設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能電池板的清潔系統(tǒng)，有效地提高了發(fā)電效率[36]；陳超[37]等基于蝶形線(xiàn)性壓電致動(dòng)器設(shè)計(jì)了二自由度位置工作平臺(tái)，并建立了一種特殊的精密位移測(cè)量系統(tǒng)；黃郅博等人[38]通過(guò)球形定子設(shè)計(jì)了一種多自由度壓電致動(dòng)器，其具有體積小、速度快等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于機(jī)器人視覺(jué)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。諧振式壓電致動(dòng)器能夠被真正應(yīng)用在實(shí)際中是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程需要眾多科研人員的不懈努力。

3 非諧振式直線(xiàn)形壓電致動(dòng)器的機(jī)理分析

3.1 沖擊式

沖擊式直線(xiàn)形壓電致動(dòng)器是利用物體塊的質(zhì)量差，不斷地重復(fù)緩慢伸長(zhǎng)和快速收縮兩個(gè)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)動(dòng)子的長(zhǎng)行程運(yùn)動(dòng)，圖9為其工作原理圖。致動(dòng)器結(jié)構(gòu)主要包含主體m1、壓電陶瓷片疊堆和慣性塊m2組成，大體工作周期可分為3個(gè)階段。

圖9 沖擊式壓電致動(dòng)器的工作原理

(1)t=0時(shí)，整個(gè)電機(jī)處于初始狀態(tài)。

(2)0～t1時(shí)，壓電陶瓷疊堆在鋸齒波信號(hào)的激勵(lì)下緩慢伸長(zhǎng)，慣性塊隨著疊堆伸長(zhǎng)向右移動(dòng)，而主體在電機(jī)與地面的靜摩擦下保持靜止。

(3)t1～t2時(shí)，施加快速衰減的鋸齒波信號(hào)時(shí)，壓電陶瓷疊堆迅速收縮，對(duì)主體產(chǎn)生慣性沖擊力。若向右的慣性輸出力比它們之間的最大靜摩擦力還要大，則其向右移動(dòng)一段距離。通過(guò)這樣多個(gè)周期連續(xù)作用，就可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)。

2014年，吉林大學(xué)的曾萍等人[39]提出了一種非對(duì)稱(chēng)慣性沖擊式的直線(xiàn)形壓電致動(dòng)器，它是由兩個(gè)不對(duì)稱(chēng)壓電智能懸臂梁(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PSC)在工作中產(chǎn)生慣性沖擊力來(lái)驅(qū)動(dòng)的，如圖10所示。當(dāng)PSC受到典型諧波電壓信號(hào)激勵(lì)時(shí)，由于其前后振動(dòng)時(shí)夾緊位置不對(duì)稱(chēng)，故每周期內(nèi)會(huì)生成兩個(gè)方向上的微小位移，通過(guò)微小位移的累積將實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)行程的運(yùn)動(dòng)。對(duì)該致動(dòng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試后，其分辨率為0.02 μm，最大速度16.87 mm/s，在電壓100 V和35 Hz的情況下，最大負(fù)載質(zhì)量可達(dá)1 kg。

圖10 非對(duì)稱(chēng)慣性沖擊驅(qū)動(dòng)壓電微致動(dòng)器

3.2 粘滑式

為了提高壓電致動(dòng)器的輸出速度，通常采用增加驅(qū)動(dòng)周期位移、提高驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)頻率和減小反向運(yùn)動(dòng)的方法。當(dāng)前，為改善速度，粘滑型致動(dòng)器大多采用提高激勵(lì)頻率的方法，但由于壓電疊片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高頻鋸齒波會(huì)影響執(zhí)行器的壽命，高頻高壓激勵(lì)下壓電疊片會(huì)增加其熱量。因此，提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率較低、速度較快的壓電粘滑致動(dòng)器具有重要意義。

近年來(lái)，粘滑式壓電致動(dòng)器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)效率高等優(yōu)勢(shì)成為研究學(xué)者的研究熱點(diǎn)。提出并驗(yàn)證改善致動(dòng)器的輸出速度的方法是科研人員探索的重要方向之一，相對(duì)之前增大激勵(lì)電壓和頻率的方法，在結(jié)構(gòu)上做出變化更加切合實(shí)用。

2019年，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)的陸曉惠和高強(qiáng)等人[40]提出一種基于位移放大柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的壓電致動(dòng)器，充分利用三角形鉸鏈的變化，大大地提高了橫向輸出位移，致動(dòng)器結(jié)構(gòu)和放大原理如圖11所示。當(dāng)繞著O點(diǎn)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)，即OB至OB′，OA至OA′，角度Δθ可表示：

圖11 基于三角放大位移的粘滑壓電致動(dòng)器

在y軸增大的位移BC可表示：

BC=B′D-AB=OB′×sin(θ+Δθ)-AB

在x軸增大的位移CB′可表示：

很明顯，在此結(jié)構(gòu)下為滑軌運(yùn)動(dòng)提供了較大的橫向位移，實(shí)現(xiàn)了利用三角位移放大機(jī)構(gòu)可以在較低的頻率下實(shí)現(xiàn)較高輸出速度。

2019年，浙江師范大學(xué)溫建明等人[41]在之前科研人員的研究基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一種采用兩部分相同結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱(chēng)柔性鉸鏈來(lái)改善壓電致動(dòng)器輸出性能，如圖12所示。在該研究中，彎曲機(jī)構(gòu)為非對(duì)稱(chēng)形狀，一般情況下，壓電疊堆沿其縱向方向只能實(shí)現(xiàn)一次運(yùn)動(dòng)，但在非對(duì)稱(chēng)柔性機(jī)構(gòu)的幫助下，一個(gè)壓電堆疊在x和y兩個(gè)方向上產(chǎn)生了兩個(gè)運(yùn)動(dòng)。利用x方向的寄生運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)滑塊進(jìn)行線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)。然而，只有一個(gè)彎曲機(jī)構(gòu)不能獲得步行式運(yùn)動(dòng)，至少需要兩個(gè)彎曲機(jī)構(gòu)(腿)。另外，輸入電壓是方波的形式，且幅值是相同的，只是它們的相位不同。因此，這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器能夠交替工作，使滑軌像人行走的姿態(tài)一樣運(yùn)動(dòng)，十分新穎。

圖12 行走式粘滑壓電致動(dòng)器

相比于前兩種結(jié)構(gòu)通過(guò)增大輸出位移的方法來(lái)提高速度，2020年吉林大學(xué)楊志新等人[42]為了抑制粘滑型壓電致動(dòng)器普遍存在的向后運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，提出一種柔性鉸鏈為扇形的致動(dòng)器。此設(shè)計(jì)能更好地通過(guò)其彈性恢復(fù)來(lái)產(chǎn)生向前的摩擦力，從而提高致動(dòng)器輸出效率，其結(jié)構(gòu)如圖13所示。由于驅(qū)動(dòng)電壓從最大值迅速降為零，造成反向摩擦力能夠產(chǎn)生相反方向的運(yùn)動(dòng)，所以抑制反向運(yùn)動(dòng)的基本思路是產(chǎn)生一個(gè)正向摩擦力來(lái)平衡反向摩擦力。為此，設(shè)計(jì)了具有特定弧形結(jié)構(gòu)的柔性鉸鏈，在快速降低驅(qū)動(dòng)電壓的過(guò)程中，通過(guò)柔性鉸鏈的彈性恢復(fù)來(lái)平衡反向摩擦力。這在一定程度上提高了電機(jī)的周期運(yùn)動(dòng)位移，在抑制反向運(yùn)動(dòng)方面從結(jié)構(gòu)上提供了思路。

圖13 反向抑制壓電致動(dòng)器

3.3 尺蠖式

尺蠖致動(dòng)器是一種模仿尺蠖運(yùn)動(dòng)的仿生裝置，通常由一個(gè)進(jìn)給模塊和兩個(gè)夾緊模塊組成，它可以長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)且可提供納米級(jí)的精確定位。

2004年，多倫多大學(xué)Peter等人[43]基于通用電機(jī)框架和計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)了一種尺蠖精密定位器，這是一種典型的尺蠖型致動(dòng)器結(jié)構(gòu)，圖14為其具體結(jié)構(gòu)和一個(gè)周期內(nèi)的工作機(jī)理。此模型采用3個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)元件，豎直的2個(gè)用于夾緊，另外1個(gè)壓電疊堆用來(lái)產(chǎn)生橫向位移，3個(gè)致動(dòng)器密切配合，致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)范圍直接受滑軌的長(zhǎng)度影響，其結(jié)構(gòu)非常巧妙。此致動(dòng)器在運(yùn)動(dòng)方向上的剛度為88 N，最大推力150 N，移動(dòng)速度可輕易實(shí)現(xiàn)8 mm/s，最高可達(dá)到20 mm/s。

圖14 尺蠖式壓電致動(dòng)器及其驅(qū)動(dòng)順序

2020年，西安電子科技大學(xué)董航加等[44]設(shè)計(jì)了一種尺蠖式壓電致動(dòng)器，這個(gè)設(shè)計(jì)在之前尺蠖型的基礎(chǔ)上加了位移放大結(jié)構(gòu)，使致動(dòng)器輸出位移更好，其由1個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、2個(gè)夾緊機(jī)構(gòu)、2個(gè)彈體和3個(gè)PZT疊層組成，如圖15所示。夾緊機(jī)構(gòu)包括杠桿式放大機(jī)構(gòu)、彈體、調(diào)節(jié)螺釘和PZT疊層，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)為杠桿式放大機(jī)構(gòu)和橋式機(jī)構(gòu)，通過(guò)杠桿式放大機(jī)構(gòu)與彈性體的配合實(shí)現(xiàn)斷電夾緊，降低功耗。致動(dòng)器的最大速度為0.72 mm/s，最大位移達(dá)11 mm。

圖15 尺蠖式壓電致動(dòng)器

綜上所分析的在非諧振方式下工作的壓電致動(dòng)器，它們大都具有分辨率高，發(fā)熱小，結(jié)構(gòu)多變，輸出力大等優(yōu)點(diǎn)。但也有很多的不足之處，比如尺蠖型和粘滑型驅(qū)動(dòng)器，它們都是利用物體的慣性摩擦來(lái)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子，雖然具有大量程位移的工作能力，但反向運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象也是不可避免的，這也是影響致動(dòng)器效率的關(guān)鍵因素。現(xiàn)如今抑制向后位移的辦法還不是很多。尺蠖型驅(qū)動(dòng)器也能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)限量程運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)精度也很高，這類(lèi)驅(qū)動(dòng)器因?yàn)樗墓ぷ鳈C(jī)理，所以大多能夠?qū)崿F(xiàn)線(xiàn)性運(yùn)功，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的研究設(shè)計(jì)較少。吉林大學(xué)李建平[45]等人提出的模型則為實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)提供了一定的參考，但這類(lèi)致動(dòng)器也有一定的不足，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)和控制策略復(fù)雜，加工樣機(jī)難度相對(duì)較大等方面，如何設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單的尺蠖驅(qū)動(dòng)器顯得尤為關(guān)鍵。

4 總結(jié)及展望

直線(xiàn)形壓電致動(dòng)器的發(fā)展很大程度上解決了電磁類(lèi)電機(jī)在某些場(chǎng)合應(yīng)用的限制。直線(xiàn)形壓電致動(dòng)器結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)多變，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，能夠根據(jù)特定的工作場(chǎng)合來(lái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以直接驅(qū)動(dòng)裝置?，F(xiàn)在，壓電致動(dòng)器的尺寸越來(lái)越趨向精密化，在高精端領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛[47]。但壓電類(lèi)致動(dòng)器的發(fā)展相比電磁電機(jī)總體上還是不成熟的，應(yīng)用在工業(yè)場(chǎng)合的案例相對(duì)較少，且同時(shí)存在一些工作不穩(wěn)定現(xiàn)象，針對(duì)該現(xiàn)象所出現(xiàn)的一些問(wèn)題需要進(jìn)一步去探究和解決。為了將來(lái)在多個(gè)領(lǐng)域中能夠應(yīng)用直線(xiàn)形壓電致動(dòng)器，還需要研究學(xué)者繼續(xù)進(jìn)行大量的努力，未來(lái)可以考慮從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)及優(yōu)化：

(1)電磁壓電混合驅(qū)動(dòng)

經(jīng)過(guò)上述討論分析可發(fā)現(xiàn)，不管是諧振型還是非諧振型的壓電致動(dòng)器，速度和工作效率上都存在一定的不足。與電磁類(lèi)電機(jī)共同作用工作是改善這些問(wèn)題的一個(gè)思路，將二者的優(yōu)勢(shì)能夠協(xié)同配合起來(lái)，現(xiàn)在已經(jīng)有這方面的研究工作了，但目前該領(lǐng)域的研究在摸索階段，接下來(lái)需要進(jìn)一步去探究。

(2)抑制發(fā)熱摩擦等問(wèn)題

粘滑型致動(dòng)器長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)影響到致動(dòng)器的壽命和效率，所以發(fā)熱問(wèn)題需要重點(diǎn)處理。并且，大部分的粘滑型都是依靠位移放大機(jī)構(gòu)來(lái)提高位移，對(duì)向后運(yùn)動(dòng)位移的抑制方法研究較少，如果能有效地解決發(fā)熱摩擦問(wèn)題，未來(lái)直線(xiàn)形壓電驅(qū)動(dòng)器的性能勢(shì)必得到巨大提升。

(3)控制算法的優(yōu)化

相比于電磁類(lèi)電機(jī)的控制方法，諧振頻率下工作的超聲波壓電致動(dòng)器就顯得比較復(fù)雜，受其他條件的影響十分明顯，比如摩擦發(fā)熱、預(yù)壓力、驅(qū)動(dòng)頻率、能量轉(zhuǎn)化等，這些條件在控制方面會(huì)使致動(dòng)器呈現(xiàn)非線(xiàn)性特性，加大了對(duì)電機(jī)的控制難度。在未來(lái)能夠使致動(dòng)器的控制策略向著微型化、簡(jiǎn)單化、穩(wěn)定化方面發(fā)展尤為重要。

(4)應(yīng)用場(chǎng)合的擴(kuò)展

現(xiàn)如今，壓電致動(dòng)器只能應(yīng)用在一些特定的精密場(chǎng)合，比如航空航天、定位平臺(tái)和相機(jī)鏡頭等領(lǐng)域。相對(duì)來(lái)說(shuō)，這些應(yīng)用場(chǎng)合偏少，并且很難商業(yè)化開(kāi)發(fā)應(yīng)用。隨著研究的深入，將壓電致動(dòng)器應(yīng)用于日常生產(chǎn)生活具有革命性的意義。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文首先對(duì)直線(xiàn)形壓電致動(dòng)器進(jìn)行了概括，對(duì)其不同驅(qū)動(dòng)原理下的分類(lèi)進(jìn)行了說(shuō)明。然后對(duì)直線(xiàn)形壓電致動(dòng)器的運(yùn)行機(jī)理及傳動(dòng)方式進(jìn)行了歸納。電機(jī)適用于線(xiàn)性方向傳動(dòng)且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，將復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，不僅減小了電機(jī)的體積，而且在效率上有了進(jìn)一步提高。最后總結(jié)了直線(xiàn)形壓電致動(dòng)器并對(duì)發(fā)展前景進(jìn)行了相關(guān)分析。雖然許多直線(xiàn)形壓電致動(dòng)器還在實(shí)驗(yàn)階段，并沒(méi)有達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)化的需求，但是其擁有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)其研究已經(jīng)成為目前研究的前沿，為新型直線(xiàn)傳動(dòng)裝置帶來(lái)了新的思路。