直線(xiàn)壓電尺蠖式作動(dòng)器概述綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u11044直線(xiàn)壓電尺蠖式作動(dòng)器概述綜述 1309201.1壓電尺蠖直線(xiàn)電機(jī)概述 1209181.2直線(xiàn)壓電作動(dòng)器概述 2156271.3壓電尺蠖式作動(dòng)器概述 31.1壓電尺蠖直線(xiàn)電機(jī)概述壓電尺蠖直線(xiàn)電機(jī)是基于仿生學(xué)中尺蠖的爬行原理而制作的一種大行程且分辨率很高的的精密驅(qū)動(dòng)器，由箝位機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和底座三個(gè)部分組成，它是將疊堆式壓電執(zhí)行器的微小位移不斷進(jìn)行累加直至實(shí)現(xiàn)連續(xù)的大位移，所以它相比于傳統(tǒng)的直線(xiàn)電機(jī)來(lái)說(shuō)有很多優(yōu)點(diǎn)，不僅體積比較小和功率密度比較大，而且還可以實(shí)現(xiàn)大行程的功能以及有較高的分辨率等，在微納米級(jí)定位中有著廣闊的應(yīng)用前景，被人們應(yīng)用于許多設(shè)計(jì)任務(wù)場(chǎng)所中。利用壓電元件制作的尺蠖式直線(xiàn)壓電電機(jī)有許多良好的優(yōu)點(diǎn)，列舉其中一些如下：(1)和電磁驅(qū)動(dòng)器相比，它的單位重量輸出力和力矩都比較高；(2)不僅輸出剛度比較高，而且不容易受到外界的干擾，最重要的是還可以實(shí)現(xiàn)極高分辨率的運(yùn)動(dòng)；(3)其響應(yīng)速度較快，所以運(yùn)動(dòng)中反饋會(huì)比較及時(shí)；(4)因?yàn)樽陨泶鸥蓴_和受外界磁場(chǎng)影響都很小的原因，它需要在磁干擾影響較小的場(chǎng)合工作才可以發(fā)揮其重要的應(yīng)用價(jià)值；(5)它不需要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而且其位移控制精度非常之高，達(dá)到了0.01μm如果壓電驅(qū)動(dòng)器依靠摩擦來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)或者動(dòng)力，那么它一般都啟動(dòng)比較靈活，并且停止也迅速，此外其定位還不需要其他機(jī)構(gòu)及能量，還可以保持力矩的恒定。尺蠖式直線(xiàn)壓電電機(jī)在當(dāng)代社會(huì)生活中有著非常廣闊的應(yīng)用前景，根據(jù)市場(chǎng)的不同需求出現(xiàn)了許多種類(lèi)型的新型原理及結(jié)構(gòu)形式的尺蠖式直線(xiàn)壓電電機(jī)。按照疊層壓電陶瓷在電機(jī)上的分布不同，我們可以把它分為三種：一是被動(dòng)式，它的疊層壓電陶瓷全都分布在了定子上；二是自行式，它的疊層壓電陶瓷分布與被動(dòng)式不同，它全都分布在了動(dòng)子上；三是混合式，它與被動(dòng)式和自行式都不同，它的疊層壓電陶瓷既有分布在動(dòng)子上的，也有分布在定子上的。按照箝位方式的不同又可以分為兩類(lèi)：在箝位裝置中當(dāng)疊層壓電陶瓷伸長(zhǎng)時(shí)發(fā)生箝位的電機(jī)我們把它叫做主動(dòng)箝位式電機(jī)；箝位裝置中在壓電陶瓷還沒(méi)有伸長(zhǎng)的時(shí)候就已經(jīng)發(fā)生箝位的電機(jī)我們把它叫做被動(dòng)箝位式電機(jī)。1.2直線(xiàn)壓電作動(dòng)器概述壓電作動(dòng)器是利用壓電元件的壓電特性，通過(guò)壓電材料的逆壓電效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的。其有許多優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)的作動(dòng)器來(lái)說(shuō)有許多優(yōu)勢(shì)，比如高位移分辨率使其能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)驅(qū)動(dòng)；響應(yīng)速度很快，達(dá)到了微秒級(jí)；設(shè)計(jì)靈活所以結(jié)構(gòu)形式多樣且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；更容易小型化，不需要中間環(huán)節(jié)；可以應(yīng)用在多種場(chǎng)合甚至于真空和磁場(chǎng)中都能使用等等。通過(guò)壓電元件的優(yōu)勢(shì)可以看出，壓電元件異常適用于動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)。因?yàn)轵?qū)動(dòng)機(jī)理的不同，現(xiàn)有的壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以分為四類(lèi)：超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)、微位移驅(qū)動(dòng)、粘滑式驅(qū)動(dòng)以及尺蠖式驅(qū)動(dòng)。尺蠖式作動(dòng)器的工作原理和自然界尺蠖的爬行運(yùn)動(dòng)相似，它是利用壓電元件的伸縮效用帶動(dòng)箝位裝置和驅(qū)動(dòng)裝置一起互相配合，從而使輸出元件直接產(chǎn)生直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的一種壓電作動(dòng)器。它的主要結(jié)構(gòu)是由定子和動(dòng)子組成，作動(dòng)器工作中相當(dāng)于基座固定不動(dòng)的部分是定子，相對(duì)于定子有位移輸出的部分是動(dòng)子。輸出直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)子稱(chēng)為直線(xiàn)動(dòng)子，輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)子稱(chēng)為轉(zhuǎn)子。壓電尺蠖作動(dòng)器一般遵循箝位、驅(qū)動(dòng)和箝位的工作原理。直線(xiàn)作動(dòng)器不需要中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)就能直接輸出直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，壓電元件具有高分辨率，能實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨率，所以直線(xiàn)壓電作動(dòng)器兼具兩者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于小型化的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的作動(dòng)器基本上都是采用電磁、電熱和機(jī)械式的方式，因?yàn)槭艿綑C(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理的限制，雖然也能實(shí)現(xiàn)大行程和大推力的輸出，但是體積和重量都較大，無(wú)法滿(mǎn)足一些要求，且不太方便，所以無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)今世界科技日趨大行程、高密度和小尺寸的要求。對(duì)于各行業(yè)領(lǐng)域越來(lái)越高、越來(lái)越廣的要求，比如小型化、智能化、輕型化等等諸多要求，直線(xiàn)壓電作動(dòng)器因其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)而在各行業(yè)領(lǐng)域特別是生物工程、機(jī)械組裝和航空航天等得到了廣泛關(guān)注，并發(fā)揮了重要作用。按驅(qū)動(dòng)元件的不同，直線(xiàn)壓電作動(dòng)器可分為壓電陶瓷和壓電疊堆兩種形式。壓電陶瓷是一種利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)制作的一種微位移作動(dòng)器，因其持有小體積、高能量密度、高分辨率和頻響快等特點(diǎn)成為了精密定位系統(tǒng)中的重要定位元件和驅(qū)動(dòng)元件，但由于其是基于單片壓電陶瓷晶片的壓電作動(dòng)器，所以輸出位移和輸出力都比較小。而壓電疊堆作動(dòng)器是采用特定的工藝將多片壓電陶瓷晶片和電極疊合而成壓電疊堆制作而成的壓電作動(dòng)器，與壓電陶瓷作動(dòng)器相比，他的輸出力和位移都得到了顯著提高。1.3壓電尺蠖式作動(dòng)器概述在眾多的直線(xiàn)壓電作動(dòng)器中，基于壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的尺蠖式壓電作動(dòng)器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)大推力，且同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)大行程的作動(dòng)。按照不同的工作機(jī)理可以分為行走型、推動(dòng)型和混合型三種。行走型的尺蠖式壓電作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)形式類(lèi)似于自然界尺蠖的爬行，兩側(cè)的箝位機(jī)構(gòu)和中間的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)都采用壓電疊堆作為驅(qū)動(dòng)源，通過(guò)匹配壓電疊堆驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序即可實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器沿導(dǎo)軌或?qū)U運(yùn)動(dòng)，該類(lèi)作動(dòng)器因其結(jié)構(gòu)原因在大行程上有較好的穩(wěn)定性，且體積較小，結(jié)構(gòu)緊湊，但是很難采用調(diào)節(jié)裝置達(dá)到零箝位摩擦間隙，且加工精度要求高導(dǎo)致成本上升，所以不是很理想。推動(dòng)型與行走型不同，它是行走型的逆運(yùn)動(dòng)，它的箝位機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為定子都不發(fā)生移動(dòng)，而是推動(dòng)動(dòng)子發(fā)生軸向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。混合型是其兩類(lèi)的綜合，它的中間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與箝位機(jī)構(gòu)是相互分離的，固定其中一個(gè)箝位機(jī)構(gòu)，另外一個(gè)箝位機(jī)構(gòu)就隨著驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，兩者交替配合實(shí)現(xiàn)持續(xù)輸出。這樣的結(jié)構(gòu)使得設(shè)計(jì)更加靈活，加工、裝配和預(yù)緊都更加方便，為設(shè)計(jì)制造工作提供了很大的便利，省時(shí)省力了許多，比之前兩種更加理想，更能達(dá)到一些工作要求和任務(wù)需要。隨著一些高尖端領(lǐng)域的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的直線(xiàn)作動(dòng)器受工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，致使其傳動(dòng)效率較低和輸出位移較小，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且不易控制，所以無(wú)法滿(mǎn)足使用要求。壓電尺蠖式作動(dòng)器基于尺蠖運(yùn)動(dòng)的原理，可實(shí)現(xiàn)大行程和大推力，所以廣泛應(yīng)用于精密加工與測(cè)量技術(shù)和生物工程、光學(xué)工程與航空航天等領(lǐng)域。它的優(yōu)勢(shì)主要有：不僅響應(yīng)速度很快而且分辨率還很高；沒(méi)有連桿機(jī)構(gòu)、滾珠絲桿