張彥虎，曲建俊

(1.江蘇大學(xué) 先進(jìn)制造與現(xiàn)代裝備技術(shù)工程研究院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

超聲馬達(dá)(USM)作為新型驅(qū)動(dòng)元器件，具有功率密度大,低速大推力,結(jié)構(gòu)緊湊,慣性小而響應(yīng)快,運(yùn)行低噪聲、無(wú)/抗電磁干擾及斷電自鎖等優(yōu)點(diǎn)，在照相機(jī)[1]、汽車(chē)工業(yè)[2]、航空航天[3]、機(jī)器人[4-5]、醫(yī)療/生物工程[6]、微型機(jī)械[7-8]和精密定位[9-10]等高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣。USM按照定、動(dòng)子接觸情況可分為非接觸型超聲馬達(dá)和接觸型超聲馬達(dá)。雖然前者在某些方面特點(diǎn)顯著，類(lèi)型多樣，如雷諾剪切力驅(qū)動(dòng)型[11-12]、輻射壓力驅(qū)動(dòng)型[13]、壓電-電流變步進(jìn)馬達(dá)[14]等，但接觸型馬達(dá)為目前直線馬達(dá)的主要發(fā)展方向。直線超聲馬達(dá)(LUSM)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為彈性體超聲頻域內(nèi)的微幅機(jī)械振動(dòng)，通過(guò)彈性體表面的共振放大，在接觸配副(定子和動(dòng)子)界面間以摩擦作用驅(qū)動(dòng)動(dòng)子實(shí)現(xiàn)宏觀直線運(yùn)動(dòng)。LUSM具有許多優(yōu)勢(shì)[15-16]，使LUSM成為國(guó)內(nèi)、外微特驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域重要的研究熱點(diǎn)。如今LUSM發(fā)展迅速，驅(qū)動(dòng)原理趨于多樣化[17-18]，應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛[19]。本文概述近十幾年來(lái)LUSM的發(fā)展現(xiàn)狀，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、接觸模型、非線性、能量損耗等方面進(jìn)行了分析，以期對(duì)進(jìn)一步研究提供一些有益的參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LUSM通常由壓電陶瓷塊(板形、環(huán)形及其堆疊)、彈性振子、夾持裝置、控制電路和托板及導(dǎo)軌支架等零部件組成，對(duì)這些零部件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)能有效提升馬達(dá)性能。實(shí)現(xiàn)超聲馬達(dá)本體結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，作動(dòng)/驅(qū)動(dòng)功能增強(qiáng)，工作效率及穩(wěn)定性提高，是LUSM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)和任務(wù)。

LUSM根據(jù)壓電陶瓷的工作模式可分為貼片式、螺栓壓緊式和壓電堆疊型等類(lèi)型。貼片式壓電超聲馬達(dá)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和制作成本低等優(yōu)勢(shì)而被廣為研究和討論。船洼友龜?shù)萚20]研發(fā)的自行式直線超聲馬達(dá)(見(jiàn)圖1)，利用一階縱振和二階彎振復(fù)合實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，矩形板振子的多部位驅(qū)動(dòng)省去了以往必要的驅(qū)動(dòng)平臺(tái)和可動(dòng)導(dǎo)軌。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)元件預(yù)壓在滑動(dòng)板上，這種直接接觸方式強(qiáng)化了橢圓效果，提高了驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)性能穩(wěn)定。圖中，B-,B+,A-,A+為兩路接線端子。

對(duì)粘貼于梁上的壓電陶瓷片施加適當(dāng)頻率的單相交變電壓，就激發(fā)動(dòng)子的一階彎曲振動(dòng)；驅(qū)動(dòng)足不設(shè)計(jì)在波腹或波節(jié)處，產(chǎn)生的是斜直線運(yùn)動(dòng)[21]。市川茂等設(shè)計(jì)了一種臥式直線超聲馬達(dá)[22](見(jiàn)圖2)，對(duì)其他輸出機(jī)構(gòu)有良好的接口，可廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線中加工、裝配和裝拆工件等的機(jī)器手，工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械，汽車(chē)和電子工業(yè)等場(chǎng)合。李朝東等[23]報(bào)道了改進(jìn)型的微型化超聲馬達(dá)，其結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)過(guò)優(yōu)化而達(dá)到36 mm×5 mm×4 mm，并證實(shí)多片布置方案增大了輸出端的振動(dòng)位移。一種利用d33模式工作的多齒驅(qū)動(dòng)足線性壓電馬達(dá)，輸出速度達(dá)17.6 cm/s，驅(qū)動(dòng)力為0.34 N[24]，可用于高速精密場(chǎng)合。

圖2 臥式直線超聲馬達(dá)

Piotr等[25]開(kāi)發(fā)了一種軸式慣性直線超聲馬達(dá)。鋸齒形脈沖電壓激勵(lì)使彈性體發(fā)生彎曲振動(dòng)，再將振動(dòng)能量傳遞給可動(dòng)軸，利用慣性原理驅(qū)動(dòng)套在軸上的移動(dòng)體發(fā)生直線運(yùn)動(dòng)。該型馬達(dá)簡(jiǎn)化了制造工藝，實(shí)用性強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)越，反沖小而工作狀態(tài)穩(wěn)定。采用粉末注射成形技術(shù)，Yoon等[26]制作出一種基于慣性位移原理的圓頂形線性壓電馬達(dá)(見(jiàn)圖3)，性能良好。圖中，D為壓電陶瓷片外徑。

圖3 慣性直線超聲馬達(dá)

圖4 梯形振子直線超聲馬達(dá)

德國(guó)Physik Instrumente公司開(kāi)發(fā)了一種具有等腰梯形振子的直線超聲馬達(dá)[27](見(jiàn)圖4)。以直線導(dǎo)軌作為運(yùn)動(dòng)部件，采用具有楔形增力的等腰板形振子，解決振子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，定位精度低和小型化難等問(wèn)題。金家楣等報(bào)道了一種同頻信號(hào)激勵(lì)的方板雙模作動(dòng)直線馬達(dá)，獲得了良好的輸出速度和推力[28]。

為了提升超聲馬達(dá)總體性能，一方面優(yōu)化定、動(dòng)子結(jié)構(gòu)，另一方面結(jié)合實(shí)驗(yàn)調(diào)整夾持條件，尤其是裝配預(yù)緊力對(duì)直線超聲馬達(dá)工作性能具有重要影響。在馬達(dá)工作時(shí)，夾持裝置因動(dòng)子對(duì)定子高頻沖擊的反作用、定子支撐面處的高頻振動(dòng)和接觸面粗糙峰誘導(dǎo)低頻振動(dòng)等影響而處于振動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)對(duì)于會(huì)民等[29]開(kāi)展的彈性?shī)A持結(jié)構(gòu)系列的研究(柔性鉸鏈、雙層板簧和三滾子結(jié)構(gòu)等)，進(jìn)一步將柔性鉸鏈進(jìn)行改進(jìn)[30]，減小了因定子裝配產(chǎn)生的附加應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了超聲馬達(dá)夾持位移與預(yù)壓力成線性關(guān)系。面向不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求，復(fù)合模態(tài)工作的直線超聲馬達(dá)已有縱-彎復(fù)合型、縱-扭復(fù)合型、縱-縱復(fù)合型和彎-彎復(fù)合型等多種形式，并開(kāi)始向高性能、微小型、模塊化、智能化方向發(fā)展。

2 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模型

目前，已產(chǎn)生多種直線超聲馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)原理，如蠕動(dòng)型(尺蠖型)、行波型、駐波型、聲表面波型及復(fù)合型等，但駐波型直線超聲馬達(dá)因具有多種優(yōu)勢(shì)更引人關(guān)注。超聲馬達(dá)是以摩擦耦合彈性體觸頭的橢圓運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)宏觀驅(qū)動(dòng)，基于庫(kù)倫摩擦模型，切向驅(qū)動(dòng)力(Fτ)與法向壓力(FN)之間滿(mǎn)足如下關(guān)系：

Fτ=μ(t)·FN(t)

(1)

式中μ(t)為時(shí)變摩擦系數(shù)，其受摩擦材料物化性能和定動(dòng)子接觸過(guò)程的影響。在超聲馬達(dá)中，振動(dòng)場(chǎng)內(nèi)的μ較小[31-32]，但普遍認(rèn)為μ不是簡(jiǎn)單地服從普通滑動(dòng)條件下的上述關(guān)系，而是一個(gè)多物理參量影響的因變量，為時(shí)間函數(shù)。FN包括預(yù)壓力和動(dòng)子體自重，馬達(dá)在穩(wěn)態(tài)工作階段時(shí)，其值與超聲振動(dòng)產(chǎn)生的支撐力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

駐波超聲馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)模型與行波馬達(dá)在宏觀上顯著不同、微觀上相似(見(jiàn)圖5)，接觸部位個(gè)數(shù)少且接觸面積小，接觸間隙長(zhǎng)，沖擊磨損大和犁溝作用強(qiáng)，使駐波超聲馬達(dá)的磨損問(wèn)題更突出(頻率為20 kHz的超聲波在固體中的波長(zhǎng)約為20 cm，對(duì)于駐波馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)觸頭輪廓尺寸而言，該參數(shù)已足夠大以至于接觸長(zhǎng)度不足1/4波長(zhǎng))。假設(shè)定子驅(qū)動(dòng)頭為弧面，動(dòng)子導(dǎo)軌上粘貼有摩擦材料層(或表面粘性處理層)。在時(shí)-空域內(nèi)，單足駐波直線超聲馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)頭在Ti時(shí)刻時(shí)與動(dòng)子部位I接觸，在Tj時(shí)刻時(shí)與動(dòng)子部位II接觸。期間，驅(qū)動(dòng)頭微觀地做高頻振動(dòng)，表面形成橢圓軌跡，而宏觀上由于摩擦粘著與粘彈性遲滯使其表觀上做水平往復(fù)左右擺動(dòng)，這種擺動(dòng)性接觸使動(dòng)子不斷獲得切向的摩擦力，從而不斷地輸送動(dòng)子材料微粒做定向運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)水平驅(qū)動(dòng)。圖中，vr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)線速度,vw為行波速度,vs為動(dòng)子運(yùn)動(dòng)速度,vh為驅(qū)動(dòng)足端部質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度水平分量,vv為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度豎直分量。

圖5 超聲馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)理的比較

在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)建模方面，目前較廣泛地被接受的驅(qū)動(dòng)模型有滾子平板模型[33]、有限元分析模型[34-35]、等效電路模型[36]、沖量分析模型[37]和能量法解析模型[38]等，不同模型各自的特點(diǎn)影響其應(yīng)用。表1為幾種超聲馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模型的比較。

表1 幾種超聲馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模型的比較

3 非線性問(wèn)題

直線超聲馬達(dá)存在復(fù)雜的非線性問(wèn)題[39]，涉及到多個(gè)學(xué)科，自然成為一個(gè)典型且復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，如圖6所示。在結(jié)構(gòu)方面，超聲馬達(dá)在工作時(shí)動(dòng)子對(duì)定子高頻沖擊存在反作用力，且支撐定子的基體或支架聯(lián)接處存在高頻振動(dòng)，機(jī)械聯(lián)接間隙使其進(jìn)一步發(fā)生時(shí)空延續(xù)。同時(shí)，接觸界面間需粘貼柔性材料，因此，粘結(jié)層會(huì)破壞原有的線彈性關(guān)系，而膠層人工完成，無(wú)法保證其均勻性，膠層和材料間的空隙又阻礙了從壓電堆疊層向彈性體之間的線性過(guò)渡。

圖6 直線超聲馬達(dá)中的非線性問(wèn)題

在材料方面，有限振幅的超聲波在固體中傳播時(shí)伴隨高次諧波的出現(xiàn)，波形會(huì)發(fā)生畸變，最終導(dǎo)致波陣面的間斷。另外，彈性定子體內(nèi)部有位錯(cuò)缺陷，由于預(yù)壓力和超聲波動(dòng)作用，位錯(cuò)線段經(jīng)非線性振蕩，進(jìn)一步引起晶體的附加應(yīng)力[40]。壓電陶瓷中的微小裂紋對(duì)馬達(dá)的性能和壽命有重要的影響[41]，過(guò)高的溫度會(huì)使陶瓷的壓電性消失，過(guò)高的電源電壓會(huì)讓陶瓷擊穿。超聲馬達(dá)啟動(dòng)前，在高頻電壓的激勵(lì)下電容和電感中的電子非均勻聚集產(chǎn)生非穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)，影響壓電陶瓷的瞬態(tài)響應(yīng)。馬達(dá)啟動(dòng)后運(yùn)行一段時(shí)間，由于超聲振動(dòng)的熱效應(yīng)和摩擦作用，使定子體產(chǎn)生足夠大的熱量，進(jìn)而通過(guò)改變摩擦材料的物化性能而影響界面接觸性能，同時(shí)熱量順勢(shì)傳遞到壓電體而使壓電陶瓷發(fā)生部分退極化現(xiàn)象。

在原理方面，超聲馬達(dá)的工作原理決定了摩擦磨損在超聲馬達(dá)研究中的地位。從圖6中可看出，摩擦材料的摩擦磨損及其熱效應(yīng)將影響著馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)和使用。另外，定、動(dòng)子間的摩擦驅(qū)動(dòng)是遵循某種類(lèi)橢圓軌跡的撥動(dòng)性接觸，而這種接觸頻率很高，接觸力足夠大，微觀層面的累積實(shí)現(xiàn)動(dòng)子的完全驅(qū)動(dòng)。固然，馬達(dá)的正常驅(qū)動(dòng)過(guò)程就是定、動(dòng)子間具有偏斜角的高頻沖擊磨損過(guò)程。

在控制方面，壓電材料的遲滯阻尼會(huì)引起超聲馬達(dá)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)滯后和共振頻率漂移等非線性問(wèn)題[42]。實(shí)驗(yàn)研究表明，輸出電流中會(huì)出現(xiàn)混頻，而各次諧波幅值隨著外部輸入電壓的變化時(shí)會(huì)發(fā)生飽和現(xiàn)象[43]。

4 噪聲與能耗

超聲馬達(dá)工作于超頻聲域，不在人類(lèi)耳膜的敏感范圍(16～20 Hz，16 000～20 000 Hz)內(nèi)，人們接受其“安靜運(yùn)行”的特點(diǎn)。然而，因摩擦作用的存在，誘發(fā)接觸界面處質(zhì)點(diǎn)的自激振動(dòng)及摩擦噪聲，噪聲不能完全消除?，F(xiàn)代摩擦學(xué)也認(rèn)為，摩擦力與滑動(dòng)速度關(guān)系曲線的負(fù)斜率特性誘發(fā)自激振動(dòng)而產(chǎn)生摩擦噪聲[44]。實(shí)驗(yàn)研究中，超聲馬達(dá)啟動(dòng)和運(yùn)行階段也存在該情形。噪聲一方面消耗能量，另一方面直接影響接觸的臨界穩(wěn)態(tài)性能。

超聲馬達(dá)驅(qū)動(dòng)接觸副元件，選用不同材料時(shí)產(chǎn)生不同噪聲分貝，預(yù)壓力不但影響噪聲大小，也影響噪聲主頻。摩擦材料、預(yù)壓力、接觸面積、壓電激勵(lì)頻率和驅(qū)動(dòng)電路等因素均會(huì)影響超聲馬達(dá)噪聲[45]。通過(guò)希爾伯特-黃變換分析可知，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)非線性產(chǎn)生的分?jǐn)?shù)次諧波是誘發(fā)噪聲的直接原因[46]。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，超聲馬達(dá)噪聲是由接觸副的摩擦自激振動(dòng)引起，增大預(yù)壓力可以減小噪聲強(qiáng)度[47]。另外，摩擦材料的硬度和剛度對(duì)馬達(dá)噪聲和驅(qū)動(dòng)性能的影響不一致。材料較硬則滑動(dòng)摩擦較大，噪聲較大；材料較軟時(shí)噪聲較小，驅(qū)動(dòng)力也較小。

噪聲問(wèn)題和能量損失是制約超聲馬達(dá)性能和效率提升的關(guān)鍵問(wèn)題。根據(jù)噪聲產(chǎn)生機(jī)理，認(rèn)為超聲馬達(dá)的噪聲貫穿于機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力噪聲和電磁噪聲，但其比例不同。每種噪聲均存在較復(fù)雜的場(chǎng)內(nèi)變化，包括定、動(dòng)子結(jié)構(gòu)(及其配合間隙、加工精度)、功能材料(壓電材料、摩擦材料)、機(jī)電控制(包括阻抗匹配)等因素，其網(wǎng)絡(luò)關(guān)系如圖7所示。

圖7 直線超聲馬達(dá)噪聲映射圖

同樣，能量損失發(fā)生于能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，對(duì)于直線超聲馬達(dá)而言，在電能通過(guò)壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為彈性振動(dòng)能的過(guò)程中，將產(chǎn)生振動(dòng)聲能、變形和熱等；在彈性振動(dòng)能通過(guò)摩擦耦合轉(zhuǎn)化為宏觀線性運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)涉及到較復(fù)雜的摩擦過(guò)程；馬達(dá)運(yùn)行過(guò)程中磨損和塑性變形會(huì)引起能量的二重?fù)p失。此外，各種形式伴生的熱能是超聲馬達(dá)產(chǎn)生能量損耗最重要的途徑。具體映射關(guān)系如圖8所示。

圖8 直線超聲馬達(dá)的能量流

5 結(jié)束語(yǔ)

概述了近十幾年來(lái)直線超聲馬達(dá)的研究進(jìn)展，討論了超聲馬達(dá)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、摩擦接觸建模、非線性問(wèn)題和能耗及噪聲等關(guān)鍵問(wèn)題。放眼未來(lái)，直線超聲馬達(dá)的理論研究會(huì)得到更迅速的發(fā)展，將更廣泛地促進(jìn)實(shí)際應(yīng)用，也將助推產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。