摘要：直线驱动器是机电系统运行的关键，直线压电驱动器以其特有的优势在该领域迅速发展，引起广泛关注。它可实现高分辨率的运动，响应速度快、精度高，没有空回、粘滑等现象，且不发热，无噪声、无污染，控制方法简单。本文介绍了直线压电驱动器的技术特点，并对国内外的压电驱动器发展及应用情况进行详细介绍，指出了压电驱动领域的关键技术，对直线压电驱动器新一代样机的研制具有指导意义。
关键词：直线压电驱动器 尺蠖原理 箝位机构；发展现状 关键技术
中图分类号：TH112 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）02-0105-03
1 引言
驱动器是机电系统与自动化装备的重要器件之一，其性能直接影响系统的可靠性、可控性。随着现代科学技术的发展，各种驱动器也向着小型化、易控制化、精密化的方向发展。传统的驱动器重量较重、结构复杂、维修困难、频率响应不高，在很大程度无法满足现代机电系统的需求，因此以压电材料为代表的新型功能材料驱动器引起关注。根据压电陶瓷的逆压电效应制成的压电驱动器与其他新型驱动器相比，具有定位精度高、响应迅速、结构简单、输出力大、不发热和不受磁场影响等特性。压电驱动器大多基于尺蠖原理设计的，即通过模仿自然界中昆虫的运动，将压电元件的单步位移转换为输出机构的位移。根据运动形式，直线型压电驱动器有蠕动式、推动式和蠕动-推动式三种类型。本文将重点说明蠕动式和推动式尺蠖压电驱动器的研究现状、实现方式及关键技术。
2 蠕动式尺蠖压电驱动器
蠕动式直线尺蠖驱动器本质上更接近于自然界的尺蠖，模仿了爬虫等动物的爬行方式，即将压电叠堆的微小步距累加，可实现较大行程、高速度的双向蠕动运动，在精密驱动领域运用广泛，由箝位机构A、C、驱动机构B和导轨组成，图1为其运行原理图，采用“箝位-驱动-箝位”的方式运行，通过改变所加电压信号的时序，可实现反向运动，通过改变控制信号的频率或驱动机构B中压电叠堆的数目来控制驱动器的运行速度。这种驱动器结构简单，运行稳定，易控制，因此该类型驱动器相关样机也较多。
第一个管状蠕动型尺蠖驱动器于1968年诞生，用于精密加工中的材料定位。前苏联在1972年研制了第一个完全意义上的蠕动型尺蠖驱动器，并用于精密定位，后来的许多设计都以此为原形，图2所示，是较为典型的构型，用层叠的压电片使结构紧凑，也增加了承载能力、提高了运动速度，达到微米级的精度，运动速度最高可达每分钟几百毫米。1988年，美国首次利用柔性机构放大了压电致动器的位移，实现箝位机构的夹持作用。美国维吉尼亚州理工大学在驱动器结构中采用柔性放大机构，以此来放大中间驱动机构的步距，提高驱动器的速度，如图4，该驱动器结构较为新颖，值得借鉴。韩国也研制了一种结构新颖的驱动器，其中间结构为椭圆形，箝位机构能同时用来箝位和驱动，该驱动器实用性更强。2004年，加拿大Tenzer etal等人提出另外一种内部嵌入钳位压电叠堆和驱动压电叠堆的蠕动式尺镬型压电直线驱动器，并且在驱动器端部安装了预紧机构和传感装置，如图3，使得驱动器运动精度有了一定的提高。
国内较早研究蠕动式直线驱动器的是广东工学院机器人研究室的杨宜民教授，杨教授提出了仿生型步进式直线驱动器，驱动器由导轨、可动件、输出轴等组成，可动件左右端的抓爪上贴有摩擦材料，增加了可动件和导轨间的摩擦力，从而提高驱动器的带载能力，运行的参数为：步距0.1-16um、步距误差<0.05um、行程5-1000mm、最大输出力3500N、最快步速40step/s。2004年，吉林大学刘建芳等提出一种以定子主动箝位的压电直线精密驱动器，其结构如图5所示，该驱动器能够实现较高频率，达100HZ，速度为30mm/min，行程大于10mm，分辨率为0.05um，大的驱动力，为100N。哈尔滨工业大学深圳研究生院的张兆成研制的直线驱动器，如图6，采用平行的两根导向轴代替传统的导轨，可使驱动器免受轴向力的作用，一定程度上提高了输出精度，结构简单紧凑，但运动灵活性较差，磨损较为严重，易发生卡死现象，驱动器的行程为20mm，驱动速度最大为1.1802mm/s。
3 推动式尺蠖压电驱动器
推动式尺蠖压电驱动器的箝位机构是尺蠖步进运动实现的关键，箝位机构与输出轴之间要有大的箝位力，箝位力决定驱动器的输出力大小，箝位稳定性决定驱动器运动的稳定性与精度，工作原理如图8，首先对箝位机构A加正电压让其压紧输出轴，箝位机构A与输出轴之间产生大的摩擦力，在驱动机构B伸长的作用下会推动箝位机构A，箝位机构A带动输出轴一起向左移动，对箝位机构C加正电压信号时，会伸长压紧输出轴，可使运动停止。该类型尺蠖驱动器结构简单，精度高，运动平稳，不产生振动，并且运动范围大，推动式尺蠖压电驱动器也是目前唯一商业化的尺蠖驱动器。
1975年，Bizzigotti和May设计第一个推动式型的马达。之后，Haraetal等人在1986年，以压电叠堆为驱动元件，设计仿照了Bizzigotti设计的驱动器开发了一种尺镬压电驱动器，电压工作范围0-200v。1998年，Furutanital等开发的推动式驱动器，采用了压电陶瓷堆对直线动子单侧箱位，并用驱动压电陶瓷堆驱动直线动子的方式，使驱动器输出性能稳定，更实用。2005年，加拿大Concordia大学的J.Li研制的推动式驱动器，采用特制的圆管状压电材料配合特殊的机械结构，3个柔性臂、2个支撑环及2个盖片组成箝位机构，如图9所示，支撑环和盖片将3个柔性臂合成一体，成120°对称，将压电叠堆的轴向变形放大为横向变形，为了保持较大的接触面积，柔性夹持臂上的凹槽与输出轴严格配合，其箝位力为60N，载荷为55N。德国PI公司的直线压电驱动器已实现模块化，可以将两个单自由度的直线模块组装到一起，而实现精密的二维直线驱动，其驱动器行程达20mm，速度达800um/s，分辨率小于0.1um，承受载荷达0.5kg。
国内的推动式压电驱动器研究状况，2004年天津大学研制了一种基于步进运动原理的大行程纳米级步距压电驱动器，可实现压电电动机的连续匀速输出，且位移是线性的，在驱动电压300v时，运动速度可达12um/s，最小步距小于6nm，行程大于10mm，该驱动器分辨率较高。清华大学设计的驱动器，采用周向分布式杠杆放大柔性铰链机构进行箝位，如图10所示，整个输出轴被箝位机构抱死，输出力大于30N，但结构过大。清华大学1992年首次提出用电流变材料（简称ER液体）来箝位的尺蠖驱动器，运行速度为1.5um/s，负载为2.45N，该驱动器箝位稳定，磨损、冲击的问题不明显，无需高精密加工，但也显示出一些不足，如输出力小、响应速度慢、受温度影响大等。
4 直线压电驱动器研究中的关键技术
虽然压电陶瓷驱动器与传统驱动相比其优势明显，其应用也越来越广泛，但是为进一步推动压电驱动器技术发展及应用，仍需要解决一些关键技术，主要涉及结构模型设计、构件加工精度和控制方法等。
在压电陶瓷驱动器的设计方面，由于压电陶瓷的一些固有特性，如伸长量小，压电叠堆的输出位移仅为其本身长度的千分之一左右，通常不超过100um，这就对驱动器结构尺寸的设计、压电驱动元件的加工精度等都提出了很高的要求，轴孔配合精度要求也很高，尤其是微小零件，加工工艺难度较大。可采用柔性铰链机构，柔性机构能够在一定程度上放大机构输出机构的位移，但是输出刚度和输出力会减小。如何根据不同结构类型需要，进一步从动力学角度改善柔性机构的性能，对其进行优化设计，保证刚度的情况下，尽量减小对输出力和输出精度的影响，是直线压电驱动器研究的关键技术之一。
对于直接驱动箝位机构的尺蠖压电驱动器，系统的性能受到加工精度的影响较大，法向作用力和摩擦系数决定了箝位机构摩擦力的大小，对输出轴与箝位机构的接触表面施加预紧或增加接触表面的粗糙度均可增大摩擦力，但两接触面的自由移动却受限，因此一般保证两个接触面间隙在10um左右。一般，直接驱动可比采用柔性放大的输出力更大，尽管如此，压电尺蠖驱动器的动态输出力仍限制在200N左右，传统的增大法向夹持力和接触面积的方法无法满足需要，因此，迫切需要研制提高摩擦力的方法或者更好的替代方案。
此外，箝位机构除采用压电叠堆箝位，还可采用其他新型材料，如利用电流变流体（ER流体）进行箝位，ER流体能够在电场作用下，瞬间、可逆的变为固态，可利用ER变流体的该特性来实现尺蠖驱动器的箝位功能，能克服现有压电驱动器的磨损和冲击问题，无需高精密加工工艺，显示出一些独特的优点；还可以采用MEMS技术在摩擦表面产生微齿，利用微齿的互锁替代传统的摩擦箝位，输出力大，并且定位精度高，这类新材料或者结构的尺蠖驱动器应引起关注，应用前景广阔。
另外，由于压电陶瓷本身存在迟滞、蠕变、非线性等特点，以及考虑周围环境（温度、振动等）、驱动器构件的加工误差、孔轴配合精度等一系列因素对尺蠖压电驱动器的精度和稳定性的影响，可以根据驱动器自身特点采用位移监测装置和相应的控制方法。常用的位移监测方式有电阻式、电感式和激光干涉式等，同时选用闭环压电驱动电源或者用闭环控制方法对其输出位移进行补偿。
总之，在保证微精细加工和精密测试的基础上，合理的压电驱动器设计结构、控制及迟滞补偿方法，都能够在一定程度上尺蠖驱动器的输出精度、响应频率，从而改善系统的输出性能。
5 结语
直线压电驱动器应用的领域十分广泛，包括机械电子、生物医药、航空航天、精密光学等，极具发展潜力，随着压电驱动器各项技术的突破，也必将在微驱动领域独占鳌头。但是，综合国内外压电陶瓷驱动器的研究现状可发现，还尚缺乏对尺蠖压电驱动器系统的研究，现阶段大多只是进行驱动器结构设计和性能测试，由于受加工精度及其他一些关键技术的限制，研制出的样机能商业应用的很少，并且我国在这方面的研究与欧美、日韩差距较大，因此，对直线压电陶瓷驱动器的研究任重而道远。
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