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(cè)裝備的精密驅(qū)動(dòng)、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(duì)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(duì)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(shí)對(duì)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(dòng)機(jī)理;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;夾持裝置
【中圖分類號(hào)】 TM359.4 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A
【文章編號(hào)】 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(lì)彈性體定子的微幅振動(dòng),通過摩擦接觸來帶動(dòng)動(dòng)子的宏觀運(yùn)動(dòng)。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(gè)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(dòng)子兩部分組成,利用對(duì)稱與反對(duì)稱模態(tài)工作。電機(jī)的定子由兩個(gè)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(gè)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(gè)振子分別在上下兩個(gè)壓電陶瓷施加相反相位的電壓信號(hào),就可以得到對(duì)稱模態(tài)和反對(duì)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(dòng)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(hào)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(shí)現(xiàn)小型化。2011年,韓國學(xué)者Jeong設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)用性。2017年,Yang等人為了改良兩相振動(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)中接觸面和動(dòng)子之間的摩擦損耗,對(duì)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(dòng)電壓有效值110V時(shí),得到最大輸出力21.4N,如圖2所示。
2013年,許海等人針對(duì)V形壓電直線電機(jī)的斜橢圓運(yùn)動(dòng)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(jì)易于在狹窄空間作業(yè),通過對(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(yàn),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(jì)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(duì)模態(tài)的影響,實(shí)驗(yàn)表明,該夾持裝置對(duì)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(jì)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(jì)了一種新型梁式夾持裝置,如圖4所示。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)沒有考慮夾持裝置對(duì)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(dòng)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(shí)驗(yàn)奠定了理論基礎(chǔ)。之后,學(xué)者們對(duì)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(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電壓頻率、壓電材料對(duì)輸出特性有著直接的影響,采用高壓驅(qū)動(dòng)、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(shí)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(dòng)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(huì)破壞應(yīng)變和電場(chǎng)之間的線性關(guān)系,同時(shí)夾持機(jī)構(gòu)的緩變會(huì)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(huì)對(duì)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(lì)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(duì)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(duì)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(shí)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(chǎng)合,優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)的同時(shí),減小驅(qū)動(dòng)電壓,簡化驅(qū)動(dòng)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(jì)方法;由于夾持裝置提供的預(yù)壓力會(huì)對(duì)模態(tài)變化產(chǎn)生一定的影響,當(dāng)發(fā)生質(zhì)心震顫時(shí)正負(fù)相機(jī)械輸出特性也會(huì)存在差異,因此,設(shè)計(jì)一體化、輕量化夾持結(jié)構(gòu)來減輕對(duì)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(duì)文獻(xiàn)的研究發(fā)現(xiàn),目前對(duì)V形壓電直線電機(jī)的研究偏向于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在理論模型方向上研究較少。當(dāng)振動(dòng)能傳輸在V形結(jié)構(gòu)兩個(gè)振子的耦合點(diǎn)時(shí),能量會(huì)發(fā)生傳輸和反射現(xiàn)象,同時(shí)不同的振動(dòng)波會(huì)相互轉(zhuǎn)化。在精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域,電機(jī)納米級(jí)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(dòng)力學(xué)模型來優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)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(dòng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出,所以摩擦接觸制約了動(dòng)子的輸出位移和輸出精度。需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)摩擦動(dòng)力耦合機(jī)理的理論研究,在驅(qū)動(dòng)端面和動(dòng)子之間嘗試使用不同的摩擦幅,并建立摩擦動(dòng)力學(xué)模型,提高摩擦耦合效率;嘗試改變驅(qū)動(dòng)端面和動(dòng)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?,建立?dòng)態(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(chǎng)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(chǎng)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)集成方法,配合多模式動(dòng)作器驅(qū)動(dòng)控制技術(shù),采用新型壓電材料來提高電機(jī)輸出效率,實(shí)現(xiàn)高精度定位的多維化應(yīng)用。
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