V形壓電直線電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究綜述

黃衛(wèi)清 薛昊東 安大偉

【摘 要】 V形壓電直線電機是一種結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快速、機械輸出性能良好的壓電直線電機，目前在深空探測裝備的精密驅(qū)動、生物醫(yī)學(xué)的細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形壓電直線電機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提高了壓電直線電機的輸出特性，對拓展壓電直線電機的應(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形壓電電機進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的技術(shù)成果，總結(jié)出影響V形壓電直線電機輸出性能的主要因素，同時對V形壓電直線電機的有待進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;運動機理;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;夾持裝置

【中圖分類號】 TM359.4 【文獻標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）02-0088-03

壓電直線電機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動。壓電直線電機具有速度高、推重比大和結(jié)構(gòu)簡單等特點。1982年，由Sashida提出的基于蘭杰文換能器的壓電電機結(jié)構(gòu)[1]，標(biāo)志著V形結(jié)構(gòu)的壓電直線電機的問世。V形壓電直線電機優(yōu)異的輸出特性使其逐漸運用到各個領(lǐng)域，在航空航天、精密控制、生物工程和光學(xué)領(lǐng)域都具有光明的運用前景[2]。

1 V形壓電電機壓電振子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

V形壓電直線電機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。為了進一步提升V形壓電直線電機的輸出性能，不同結(jié)構(gòu)的V形電機不斷地涌現(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

貼片式壓電直線電機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)放大機構(gòu)從而產(chǎn)生橢圓軌跡，由于壓電元器件的限制，該電機不易于實現(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[4]，該電機結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了電機的微型化，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。該電機由于結(jié)構(gòu)簡單尺寸微小，具備了更好的經(jīng)濟性和實用性。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

夾心式V形壓電直線電機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，開啟了夾心式壓電電機的廣泛研究熱潮。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形壓電直線電機的斜橢圓運動軌跡進行了完整的過程分析并建立了機械特性方程，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[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，最大推力達到70N。

1.3雙驅(qū)動足壓電直線電機

在前面的V形夾心式壓電直線電機的基礎(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[8]，如圖3所示，分析共振頻率并優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù)，使兩相共振頻率達到了一致，并獲得了較大的輸出效率。

2 V形壓電直線電機夾持裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

彈性夾持裝置是連接電機動子和定子的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，合理的夾持裝置影響電機的輸出效率、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，通過機械特性試驗，該方案有效地提高了電機運行的穩(wěn)定性和機械性能，最大輸出力達到了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形壓電直線電機輸出效率優(yōu)化分析

2004年完整的傳動力學(xué)模型和電機控制模型的建立，為推進V形壓電直線電機實驗奠定了理論基礎(chǔ)。之后，學(xué)者們對V形壓電直線電機進行了多種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，通過上述文獻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形壓電直線電機的機械特性和應(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、摩擦的補償方法、穩(wěn)定的激勵電壓幅值、直線電機控制技術(shù)的優(yōu)化也是影響壓電直線電機的非線性行為，影響壓電直線電機的穩(wěn)定性及推力的重要因素。

4結(jié)論

V形壓電直線電機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提高了壓電直線電機的輸出特性，對拓展壓電直線電機的應(yīng)用領(lǐng)域有著非常重要的意義。本文從V形壓電電機壓電振子、夾持裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化及V形壓電直線電機的非線性抑制三方面對近些年關(guān)于V形壓電直線電機技術(shù)的分析和總結(jié)，V形壓電直線電機的研究在取得很多成果的同時仍然存在有待進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，為了使電機可以運用在不同場合，優(yōu)化電機結(jié)構(gòu)的同時，減小驅(qū)動電壓，簡化驅(qū)動電路是今后的進一步研究方向，減少變量以優(yōu)化直線電機的設(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尺寸也是當(dāng)前的研究重點。

通過對文獻的研究發(fā)現(xiàn)，目前對V形壓電直線電機的研究偏向于結(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，所以需要建立整機動力學(xué)模型來優(yōu)化電機結(jié)構(gòu)、設(shè)計驅(qū)動電路、預(yù)估電機性能和提高控制精度。

電機定子主要依靠接觸摩擦來帶動動子運動實現(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。需要進一步加強對摩擦動力耦合機理的理論研究，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，例如使用無機非金屬材料或高強度復(fù)合材料，以減小摩擦系數(shù);采用摩擦補償?shù)目刂品椒?，建立動態(tài)的摩擦過程的模型來提高機械輸出性能。

V形壓電直線電機雖然結(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輸出效率，實現(xiàn)高精度定位的多維化應(yīng)用。

【參考文獻】

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

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

[8]李玉寶，時運來，趙淳生.蝶形雙驅(qū)動足直線超聲電機設(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[J].微電機，2011，44（3）：1-4.

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

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