尺蠖型壓電驅動器結構及其特性

華順明，曹 旭，王義強，劉立君，李繼強

(1.浙江大學 寧波理工學院 機電與能源工程學院，浙江 寧波 315100；2.浙江大學 制造技術及裝備自動化研究所，浙江 杭州 310027)

0 引言

尺蠖型壓電驅動器是利用壓電體的微小振動位移，模仿自然界生物的尺蠖運動原理形成連續精密步進輸出而得名，具有結構緊湊，驅動力大，精度較高，響應迅速，功耗低和工作頻帶較寬等優點。驅動器整體結構分為定子和動子兩部分，分別指運動過程中相對于基座固定不動部分和有確定位移輸出(直線、旋轉或二者兼有)部分。尺蠖型壓電驅動器按照運動方式可分為單自由度(單一直線或旋轉運動輸出)和多自由度兩類；按導向布局方式可分為爬行式和推進式兩類。尺蠖型壓電驅動器的典型結構，除驅動單元外一般均包括以下部分或全部環節：壓電元件組、柔性鉸鏈組(含放大機構)、預緊機構、箝位機構及底座導軌等，其中驅動單元、箝位機構和柔性鉸鏈組(含放大機構)是決定該類驅動器性能的3個關鍵部件。

1 尺蠖型驅動器關鍵部件

尺蠖型驅動器的最基本構型，至少有兩組箝位機構和一組驅動單元，以實現“前松后箝-推進-前箝后松-復位”的四步循環，對外輸出推力(矩)。

1.1 箝位機構

箝位機構按性質分主動箝位和被動箝位兩種，按布局分為內箝位和外箝位兩種。

圖1為主、被動箝位方式的對比示意圖。主動箝位方式箝緊力由箝位面與導軌面之間的摩擦力提供，結構簡單直觀；被動箝位方式則依靠斜楔自鎖實現，箝位效果穩定，產生的箝位力亦較大，且通過預緊，可保持兩接觸面始終接觸，但自鎖難(也有個別機構使用螺紋結構來控制自鎖)[1]。

圖1 主動箝位和被動箝位方式

圖2為內、外箝位方式。由圖可看出，內箝位方式結構緊湊，可減小驅動器的體積，從而提高驅動器的穩定性和運動精度。與外箝位方式相比，其輸出推力(矩)較小。外箝位驅動器結構尺寸一般較大，能提供較大的箝位力，但調整機構需要同時調整多個箝位端子，很難協調有效地進行精密調整[2]。

圖2 內、外箝位方式

1.2 柔性鉸鏈

柔性鉸鏈機構利用柔鉸的彈性變形輸出運動或力(見圖3)，與傳統傳動機構相比，其具有體積小，無間隙，運動平穩，無機械摩擦，加工簡單，免裝配等優點，能實現微納米級精度定位。同時柔性鉸鏈機構可對壓電體施加適當預緊力，并保護壓電體免受非軸向力破壞[3]。

圖3 柔性鉸鏈的常見結構形式

1.3 放大機構

壓電體的微位移常被直接應用于精密定位平臺，但工作行程常小于10 μm。在需要更大位移的應用場合，則需借助各種柔性鉸鏈機構來放大其輸出位移。常用的柔性鉸鏈放大機構主要有杠桿式放大機構、橋式放大機構、三角式放大機構[4]和Scott-Russell 放大機構[5]等(見圖4)，通過上述組合可形成多級放大機構。

圖4 放大機構

2 尺蠖型直線壓電驅動器

2.1 爬行式直線驅動器

該型驅動器是一種典型的仿生驅動裝置，運動方式與尺蠖蟲爬行運動相似，結構特征為兩組箝位機構和一組驅動單元均安裝在動子中，定子為導軌，只起導向和支撐作用。

圖5為驅動器右向運動循環。H型動子包括左、右箝位機構和中間驅動單元。其運動循環過程：初始狀態(Ⅰ)→左箝位箝緊定子導軌(Ⅱ)→驅動單元伸長，推動右箝位向右一步(Ⅲ)→右箝位箝緊導軌(Ⅳ)→左箝位松開(Ⅴ)→驅動單元復位，帶動左箝位向右跟進一步(Ⅵ)→左箝位箝緊導軌，右箝位松開(Ⅶ)。重復過程Ⅱ～Ⅶ，驅動器做連續尺蠖爬行運動[6]。

圖5 爬行式直線驅動器運動循環

2015年，Li Ma等[7]提出一種基于對稱杠桿放大機構的爬行式直線驅動器(見圖6)。整體結構采用單軸式雙槽圓形柔性鉸鏈作為主鉸鏈，具有很高的軸向剛度，工作時軸向變形小，配合杠桿機構可實現位移放大；采用高精度交叉滾子導軌提高定位精度；箝位機構固定于移動導軌，通過螺釘調節移動導軌間的間隙；3個壓電陶瓷執行器分別預裝在插槽中。該驅動器的夾緊力為17 N，整個機構的承載能力為11 N，當驅動電壓為150 V時，最高運動速度為1.259 mm/s，行程為-25～+25 mm，分辨率為60 nm，可滿足精密光學的要求[7]。

圖6 基于對稱杠桿放大機構的爬行式直線驅動器

2011年，李全松等[8]設計了一種基于橋式放大原理的爬行式直線驅動器(見圖7)，其主要特點有：

1) 驅動單元為橋式柔性機構，充分利用該機構拓撲結構簡單、應力分布均勻及固有頻率高等優點。

2) 箝位機構由壓電疊堆與單層平行板柔性鉸鏈裝配而成，與側導軌采用V型面配合，增大內箝位方式的箝位力，配合副表面需精細對研。

3) 驅動器底座和導軌采用一體化設計和加工，既可避免導軌采用裝配方式時易產生的不平行度誤差，同時有效減小螺紋連接對驅動器總體剛度的影響，提高輸出精度[8]。

圖7 基于橋式放大的爬行式直線驅動器

該壓電驅動器工作行程為20 mm，最大箝位力為47 N，最大驅動力為38 N，驅動電壓為 200 V時最大運動步長為32.15 μm；驅動電壓為10 V時具有最小的運動步長，即驅動器的分辨率為 20 nm；驅動器在無負載狀態、驅動頻率30 Hz、驅動電壓200 V時，其最大驅動速度達484.2 μm/s。

2.2 推進式直線驅動器

推進式驅動器與爬行式驅動器的結構組成、運動原理基本相同，區別在于其定子采用單導軌(導桿)導向，或將單導軌或導桿作為輸出的動子。配合三路時序信號，推進式驅動器的典型運動循環如圖8所示。其運動循環過程為：

1) 初始狀態，左右箝位機構和驅動單元均不通電(見圖8(Ⅰ))。

2) 左箝位通電，箝緊定子(見圖8(Ⅱ))。

3) 驅動單元通電伸長，推動動子及右箝位右移一步(見圖8(Ⅲ))。

4) 右側位通電，箝緊定子(見圖8(Ⅳ))。

5) 左箝位斷電松開，動子與定子分離(見圖8(Ⅴ))。

6) 驅動單元斷電，收縮復位，拉動左箝位向右跟進一步(見圖8(Ⅵ))。

7) 左箝位通電，箝緊定子(見圖8(Ⅶ))。

8) 右箝位斷電松開，動子與定子分離(見圖8(Ⅷ))。

驅動器在時序控制下，循環執行由圖8(Ⅲ)至圖8(Ⅷ)的過程，即實現自左向右的連續直線位移，反之亦然[9]。

圖8 推進式直線驅動器運動循環

2015年，郭文峰[10]提出一種基于三角放大原理的推進式直線驅動器，由驅動箝位體、保持箝位體、驅動體和導軌等部分組成(見圖9)，其創新之處主要體現在箝位機構上：

1) 設計為通電狀態解除箝位，斷電狀態鎖住導軌。

2) 每組箝位體均采用被動箝位方式，利用上、下兩個三角放大機構實現對導軌的箝緊和放松。

圖9 基于三角放大的推進式直線驅動器

當箝位壓電疊堆通電伸長時，該結構將壓電疊堆的水平位移轉換為箝位頭的垂直位移，實現對導軌的放松；斷電時，箝位體在自身彈性力的作用下恢復對導軌的箝位作用。在工作頻率50 Hz時，其最大驅動力約為2.1 N，空載運行速度約為 0.38 mm/s；在工作頻率70 Hz 時，空載運行速度達到最大(約為0.43 mm/s)。

2014年，連安志等[11]提出一種采用柔性箝位片設計的推進式直線驅動器，輸出軸可雙向移動，且行程不限(見圖10)。

圖10 基于柔性箝位片的推進式直線驅動器

驅動器由箝位、驅動、柔性機構和輸出軸4部分組成，其中箝位機構分為第一、二層，通過對稱布置的柔性機構連接在一起，中間輸出軸上設置環形壓電疊堆和鋼筒。箝位機構為箱式結構，通過柔性箝位片實現對輸出軸箝位，使壓電陶瓷堆免受剪切力。柔性箝位片特有的圓弧形設計結構(見圖10(c))，增大了柔性箝位片與輸出軸的接觸面積，使夾持力更大，效果好。與平面結構形式的接觸方式相比，可避免輸出軸橫向滑移，使輸出軸的輸出性能穩定。由于柔性箝位片與輸出軸的間隙可在一定范圍內調節，不僅降低了加工精度要求，且箝位力大，使得箝位更可靠。

3 尺蠖型旋轉壓電驅動器

旋轉驅動器大多采用推進式，其核心思想是如何巧妙地將壓電體的伸縮位移轉化為轉子的旋轉運動。典型旋轉驅動器結構除輸出的轉子軸外，一般還包括箝位機構、驅動機構、轉動機構、預緊機構等部件。其基本工作原理如圖11所示。假定初始狀態為上箝位斷電松開轉子、下箝位通電箝緊轉子，其基本工作原理為：

1) 驅動單元通電伸長，推動下箝位帶動轉子逆時針轉動Δθ。

2) 上箝位通電，箝緊轉子。

3) 下箝位斷電，松開轉子。

4) 驅動單元斷電，依靠彈性復位，同時帶動下箝位順時針轉動Δθ。

5) 下箝位通電，再次箝緊轉子。

6) 上箝位斷電松開，驅動器回復初始狀態。

重復以上步驟，轉子連續逆時針步進旋轉[11]。

圖11 尺蠖型旋轉驅動器運動循環

與直線驅動器相比，旋轉驅動器結構更靈活，創新設計更巧妙，加工裝配精度也較易保證，響應速度快，分辨率高。

2017年，宋思揚等[12]提出一種箝位驅動一體化的旋轉驅動器(見圖12)。其獨到之處體現在中間兩層驅動機構上：

1) 旋轉框架對應驅動任務，箝位框架對應箝緊任務，在同一平面內實現驅、箝一體化設計。

2) 通電解除箝位，斷電鎖緊轉子軸，鎖止狀態為轉子的輸出常態。

3) 上、下兩層結構完全相同，可慢走絲整體切割一次成型，加工裝配精度易保證。

圖12 箝位驅動一體化的旋轉驅動器

該驅動器能實現雙向大范圍旋轉驅動，具有轉角分辨率高、可承受軸向載荷、斷電自鎖等特點。

2017年，雷俊琪等[13]提出一種以人字形驅動機構為核心的旋轉驅動器。除人字結構外，還包括固定的圓周軌道底座、上、下擋板及中心輸出軸等(見圖13)。人字形機構為創新設計，其頭部的壓電陶瓷用于驅動，底部兩端的菱形環及內裝陶瓷用于鎖止，即兩只鎖止陶瓷不通電時，2個菱形環與上、下擋板間均為緊配合，輸出軸處于鎖緊狀態。當兩路鎖止信號和一路驅動信號按不同時序激勵時，輸出軸即可雙向步進旋轉。人字形機構同時具備橋式放大和三角放大特征，但本質上基于三角放大原理驅動輸出軸工作，并隨軸一起旋轉。

圖13 對驅動機構創新的旋轉驅動器

2015年，榮偉彬等[14]提出一種利用弧面與斜面間自鎖，實現穩定箝位的旋轉驅動器，具有較大的承載能力(見圖14)。各箝位面間受磨損影響小，不會因為磨損而造成箝位作用力的下降甚至驅動器失效，使用壽命長，換能效率高，分辨率高，行程大，可被用于超精密加工領域。

圖14 對箝位機構創新的旋轉驅動器

2017年，王新廣等[15]提出一種粗、精兩級的旋轉驅動器，通過對內框柔性鉸鏈的創新設計，提高了分辨率(見圖15)。精級回轉驅動機構由柔性支承、定位預緊塊、壓電陶瓷、預緊螺釘、電容位移傳感器等組成。內框為動平臺，連接負載；外框為定平臺，連接粗精兩級轉接件。電容傳感器檢測動平臺轉角并作為反饋信號實現閉環控制。柔性支承由4個對稱的直角柔性鉸鏈并聯組成，可減小偏心誤差。此類驅動器對需要高位移分辨率的場合，如光電穩描技術具有實際意義。

圖15 對內框柔性鉸鏈創新的旋轉驅動器

4 尺蠖型多自由度壓電驅動器

多自由度運動可視為單自由度直線、旋轉運動的串聯組合，多數情況下，這種組合不影響單自由度執行器的運動性能。目前，積木結構是商業化多自由度產品的主流，集成結構多見于實驗室階段，且大都為直線和旋轉模式。

2015年，Xiantao Sun等[16]提出一種兩自由度壓電驅動器(見圖16)。驅動器由2個夾緊模塊、1個線性驅動模塊和1個旋轉驅動模塊組成，分別由4個壓電疊堆驅動。2個夾緊模塊動作互補，保證輸出軸斷電時處于鎖緊狀態。該驅動器運動范圍較大，位移分辨率和負載能力高。當驅動電壓分別為5 V、140 V時，線性運動的尺寸分別為0.049 μm和9.3 μm，而驅動電壓為2 V、140 V時，旋轉運動為10.3 μrad和228.5 μrad。執行器的負載能力最大輸出力為11.8 N，最大輸出扭矩為73.5 N /mm。

圖16 旋轉直線一體化壓電驅動器

2012年，李建平等[17-18]提出一種三爪自定心箝位的兩自由度尺蠖驅動器(見圖17)。其結構特征為：定子采用雙層設計并整體切割而成，負責箝位，上、下層板通過直角柔性鉸鏈連接，下層嵌有L形驅動縮進塊，通過驅動用壓電疊堆推動轉子步進旋轉；轉子為圓柱體，沿軸向分為兩段并與柔性鉸鏈相連，轉子中心內嵌驅動用壓電疊堆，在上、下層箝位配合下實現步進直線運動。驅動器整體結構緊湊，對中性好，精度高，輸出推力和轉矩大。在20 V、1 Hz驅動條件下，最小空載步距角為4.95 μrad；在驅動電壓100 V時，其最大輸出轉矩為93.1 N·mm，最大轉速為6 508.5 μrad/s。

圖17 三爪自定心式兩自由度驅動器

5 結論

本文對尺蠖型壓電驅動器的基本原理、結構設計、主要特性及應用情況進行了分析和總結。該類驅動器的不足體現在以下幾個方面：

1) 直線驅動器對導軌的精度、平行度要求極高，調試和使用中易出現卡頓現象。

2) 旋轉驅動器的箝位機構易發生干涉，對柔鉸機械特性要求更高。

3) 集成式多自由度驅動器，雖然直線、旋轉運動可以同時實施，但控制較復雜，協調性有欠缺，在微螺紋裝配等一些特定場合中尚不能滿足要求。

以后應重點解決尺蠖型壓電驅動器的實用性研究問題，主要有：

1) 柔性鉸鏈構型設計。目前柔鉸設計大都采用集中式柔順機構，系統靜動態特性易受其拓撲形狀限制，若采用全柔順耦合機構，則可避開構型限制，改善綜合性能。

2) 控制方法。對尺蠖型壓電驅動器，應用最廣的控制方法是單環PID閉環反饋法，簡單可靠，定位精度高。但在頻帶較寬時，系統誤差影響明顯，有局限性。后續可考慮采用雙環PID控制，內環改善壓電陶瓷線性，再針對內環設計外環控制器，減小系統誤差。

3) 補償算法。常用的壓電陶瓷非線性補償算法模型有Preisach模型、Prandtl-Ishlinskii(PI)模型等，但性能和精度仍有改進空間，未來除改進這些算法、提高適用性外，還可探索新的算法，如B樣條快速插補算法及神經網絡BP算法等。

4) 溫度控制。尺蠖驅動器本質是基于摩擦力致動，工作時必然伴生磨損和溫升。而某些場合 (如微操作)，不允許溫度對定位精度有明顯干擾，因此，設計時應選用散熱快、膨脹率低的彈性材料，并盡量采用對稱布局，若條件允許還可以要求在恒溫環境下使用。