壓電尺蠖式作動器研究的國內外文獻綜述1國外現狀早在20世紀60年代，國外就有學者提出尺蠖式壓電作動器的研究。1964年，G.RStibitz第一個提出了尺蠖驅動原理并發布了其設計開發的尺蠖作動器。但由于當時的生產水平，結構和性能都存在缺陷，技術不能達到生產所要求的標準。1966年，S.Hsu研發了世界上首臺采用環形楔實現箝位的行走—推動式尺蠖式作動器。1968年，Douglas首次提出了由良平行導軌、兩箝位機構和一驅動機構組成的管狀行走型尺蠖式作動器。如圖1.1所示。該作動器可用于精密加工的定位，但由于其導軌長度的限制會導致輸出行程較小。1972年，Galutva設計了首個全部采用壓電疊堆作為驅動、定位的尺蠖型作動器，使其承載能力和運動速度都得到大幅度提升。隨后Bizziggotti、O’Neill、Fujimoto、Murata等在前人的基礎上進行了改進和創新，設計出了多種形式新穎、功能多樣的尺蠖作動器。進入二十世紀九十年代，隨著設計理念的創新及材料技術的發展，尺蠖式壓電作動器迎來了發展的新時機。80年代末90年代初更是尺蠖作動器發展的分水嶺，之前研制的尺蠖作動器由于工藝材料和加工工藝水平的限制，沒有可實際應用的產品出現。90年代后，隨著各種高性能材料和加工技術的發展，壓電疊堆的性能大大提高，壓電尺蠖作動器自身優越的特點也隨之得到越來越多的體現，各國也開始重視壓電尺蠖作動器的研發和應用。1994年，Miesner設計了一種推進式尺蠖壓電作動器，該作動器是世界上首次將尺蠖驅動原理應用到大驅動力、高速驅動上的實例，使尺蠖型驅動器的應用范圍得到很大拓展。1998年，Oliver設計的尺蠖型壓電作動器成功應用到了汽車剎車裝置上。Furutani將尺蠖型壓電作動器應用到了電火花加工中。隨著時間的發展，對于壓電尺蠖作動器的研究越來越深入，技術也越來越先進，結構和性能都越來越好，能夠完成許多技術要求。壓電尺蠖作動器的研究一直從未停止，其結構性能等各方面也越來越先進，更加優化了。一直到1999年，美國加利福尼亞大學對早期T.Murata開圖1.1行走型尺蠖式作動器發的作動器進行了改進，將其齒箝位結構改成微脊箝位，使其承載力和空載速度都提高了許多。韓國的S.H.Kim和S.C.Kim等人更是開發了一種旋轉型尺蠖作動器，這是目前世界上位數不多的旋轉型壓電尺蠖驅動器中的一例。之后幾年尺蠖作動器的種類更是豐富了許多，到2013年南非科學與工業研究理事會設計了一種大推力壓電尺蠖作動器，簡稱IWM作動器。屬于主動箝位型尺蠖作動器，其結構簡單，直接利用壓電疊堆進行箝位，使得輸出剛度變得更大了。目前為止國內外對于這種新型大推力壓電尺蠖作動器的研究仍然沒有停止，一直行走在探索的前進道路上。21世紀初，美國賓夕法尼亞州大學的Loverich利用螺旋式箝位機構設計了一種新型大功率直線壓電作動器，使得作動器的輸出力變得更大了，并在可折疊機翼中進行了應用嘗試。該作動器能夠很好的在壓力負載下實現驅動使機翼發生折疊，但是無法實現拉力負載時的驅動。2國內現狀國內對于壓電尺蠖作動器這種大推力壓電作動器的研究相對較晚，1994年，廣東工業大學楊宜民等最早開始研究壓電尺蠖作動器，提出仿生型行走式直線作動器。1999年，清華大學李勇等提出了一種采用周向分布式杠桿放大柔性鉸鏈機構進行箝位的尺蠖式壓電作動器。2001年，哈爾濱工業大學于文霞等提出一種采用微脊式箝位結構的大推力壓電尺蠖式作動器，輸出力變大了許多，但是工藝復雜，不適合大行程運動。2004年，天津大學的趙美蓉等提出了一種基于尺蠖運動原理的大行程壓電作動器，將傳統的但結構作動器改為雙結構作動器，輸出行程變大了，但輸出力較小。2007年，吉林大學劉建芳等人采用定子內側箝和轉子外驅動的方式以及薄壁柔性鉸鏈微變形結構設計了一種新型壓電尺蠖式旋轉驅動器。，如圖1.2所示。圖1.2劉建芳設計的尺蠖式作動器到了2010年，哈爾濱工業大學張兆成博士設計了一種主動箝位式壓電尺蠖作動器，該作動器的箝位力和驅動力都變得較大。2015年，南京航空航天大學的朱鵬舉等人設計了一種大推力壓電直線作動器，該作動器輸出推力較大，但只能在壓力負載下作動，不能實現拉力負載式的作動。如圖1.3所示。近幾年來，新型大推力壓電作動器在發展的道路上取得了很好的研究成果，經過50年的發展，出現的各具特色的作動器離不開各界學者的汲汲探索，在經過無數次試驗改進，無數次辛勤探索之后，如今的作動器具有了成本低、結構緊湊、大行程、大推力、耐磨、斷電自鎖等許多優點，能夠更好的滿足科技要求，更好的支持產業技術。圖1.3朱鵬舉設計的尺蠖式作動器為解決壓電直線作動器在受到拉力和壓力負載時的驅動問題，南京航空航天大學時運來、程丁繼等人提出了一種雙向壓電直線作動器，該作動器主要采用雙向螺旋箝位原理，實現雙向大推力運動。結構上，將兩個壓電疊堆對稱布局，梯形絲杠螺母組成螺旋箝位，匹配二者驅動時序實現壓力和拉力下的驅動。2020年，同校的王均山、陳超等人針對機械轉子式陀螺儀對支承和高轉速的特定要求，設計出一種蘭杰文振子和壓電圓盤復合驅動的定子，從而在定子振動輸出面獲得足夠振幅的行波運動，實現對球轉子的超聲近場非接觸支承和高速驅動，經測試轉速極高。這種懸浮式球轉子壓電作動器利用圓盤底壓電元件的逆壓電效應，在特定的激勵信號下激發出壓電圓盤中的行波，頂端圓桿輸出面的行波振動可在定轉子間隙產生高強度聲場，給轉子提供超聲近場懸浮支撐和旋轉驅動力。為進一步拓展壓電式撓性驅動的研究和大包角撓性驅動機理，南京航空航天大學喬冠堯、郭棟等人在2021年提出了一種用于撓性驅動的雙足壓電作動器。壓電作動器結構為帶有兩圓柱驅動足的方形截面梁，在驅動足外圓柱面加工螺旋槽，既保證了撓性絲與驅動足的充分接觸，又使撓性絲纏繞多圈時不會相互影響。通過分析建立壓電作動器的有限元模型并確定合適的工作模態。同年，依舊是同校的鄭科、邱建敏、王一平等人提出了一種慣性式多自由度壓電作動器，該作動器利用梁的面內二階彎振和面外二階彎振作為工作模態，以鋸齒波作為激勵電信號，依靠轉子的慣性力，克服滑動摩擦力驅動轉子繞Z軸和α、β、γ軸旋轉。該慣性多自由度壓電作動器結構緊湊，極大的減小了現有多自由度壓電作動器的體積，且可應用于姿態調整、類人機器人眼球和精密只想系統等領域。哈爾濱工業大學的李旦和董申在2000年分析了各種壓電作動器的特點及應用范圍，并用壓電陶瓷作動器對超精密機床實施振動主動控制。在有效的改善壓電元件的遲滯性、蠕變特性及非線性的前提條件下，用壓電陶瓷作動器對超精密機床進行振動主動控制可以取得較為滿意的結果。2008年，浙江大學容里為實現自適應調節和結構振動的主動控制，分析了壓電材料的特點、性能，推導了一維壓電方程。并應用該一維壓電方程理論設計了作動器的壓電堆。研制了一種具有傳感和作動雙重作用的作動器結構形式，其具有輸出和實時檢測控制力的功能。直線電機可分為共振型和非共振型，共振型直線壓電電機的穩定性差，對加工精度要求也十分嚴苛，迄今為止，尚不能解決大行程與高精度定位的穩定性問題，且分辨率不高，速度可控性較差。為提高大行程直線電機的位移分辨率和運行穩定性,南京航空航天大學陳西府于2014年利用壓電疊層具有輸出力大，位移重復性好的優點，通過分析現有直線超聲電機和非共振直線壓電電機的各自優勢和存在的不足，提出各種針對解決方案，在非共振狀態下實現了高精度的摩擦驅動。綜上所述，壓電作動器在工程技術應用中還是有著缺陷和不足，為了解決壓電作動器在推力、行程、壓力下的驅動等等存在的不足，新型壓電作動器應此而生，為彌補各方面的技術缺陷，各式各樣的新型作動器被研究設計。本次課題就推力方面研究設計一種新型大推力壓電作動器，通過機械結構設計及仿真測試實現壓電作動器的大推力技術要求。參考文獻時運來,程丁繼,張軍,王富剛.拉壓負載下的大推力壓電直線作動器[J].光學精密工程,2019,27(04):832-841.朱鵬舉.新型大推力直線壓電作動器的研究[D].南京航空航天大學,2015.程丁繼.面向折疊機翼的雙向大推力直線壓電作動器研究[D].南京航空航天大學,2019.程丁繼,時運來,林瑜陽,張軍,付少蕾.螺旋箝位雙向大推力壓電直線作動器研究[J].壓電與聲光,2019,41(02):195-198.蘇釗.雙足壓電作動器的研究及其在二維平臺中的應用[D].南京航空航天大學,2016.呂傳龍.壓電作動器的率相關建模與逆控制方法研究[D].西南交通大學,2018.陳西府,周海,惠學芹,黃傳錦.壓電作動器在精密定位中的研究與發展[J].科技信息,2011(36):41-42.]史小慶.直動式壓電作動器及其在穩像系統中的應用研究[D].南京航空航天大學,2014.段富海,初雨田,關文卿,來進勇.變形機翼的關鍵技術研究現狀及其展望[J].空軍預警學院學報,2020,34(03):203-209+213.張軒.基于壓電疊堆的作動器研究[D].安徽工程大學,2017.孟玉明.雙彎曲螺桿型壓電作動器設計制作與實驗研究[D].太原科技大學,2015.張本鋒.壓電作動器驅動技術研究[D].南京航空航天大學,2014.喬冠堯,何勍,郭棟.用于撓性驅動的雙足壓電作動器的研究[J].壓電與聲光,2021,43(01):94-98.鄭科,邱建敏,王一平,楊穎.慣性式多自由度壓電作動器的結構設計與實驗[J].微特電機,2021,49(02):15-20.王均山,陳超,石明友,曹靜.懸浮式球轉子壓電作動器的設計及實驗研究[J].中國機械工程,2020,31(17):2064-2070.孫夢馨.非共振式壓電直線電機的研究及其在多自由度平臺中的應用[D].南京航空航天大學,2018.王道智.新型非共振型壓電作動器與精密平臺的研究[D].南京航空航天大學,2018.陳西府.摩擦驅動型非共振壓電疊層直線電機的研究[D].南京航空航天大學,2014.王麗瑋.壓電疊層作動器驅動主減撐桿的直升機振動主動控制[D].南京航空航天大學,2018.DepartmentofEngineering,Universityof“RomaTre”,ViadellaVascaNavale79,00146Roma,Italy張春