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壓電粘滑驅(qū)動原理及其在壓電馬達(dá)平臺中的應(yīng)用

更新時(shí)間： 2021-10-21

粘滑驅(qū)動是以摩擦理論為基礎(chǔ)的典型驅(qū)動方式。摩擦力是一種基本的耗散力，存在于所有相對滑動的機(jī)器和結(jié)構(gòu)中，在以往對粘滑機(jī)理的研究僅僅是停留在如何避免其在精密伺服系統(tǒng)中由于摩擦存在而引起的失穩(wěn)和損耗。由于壓電材料的出現(xiàn)和良好的響應(yīng)特性，才把粘滑原理應(yīng)用到驅(qū)動工作當(dāng)中。粘滑驅(qū)動的機(jī)理本質(zhì)是利用最大靜摩擦力和滑動摩擦力之間的差異控制被驅(qū)動物體產(chǎn)生位移。

基于壓電陶瓷的粘滑驅(qū)動方式是利用PZT壓電陶瓷快速形變產(chǎn)生的加速度，即慣性沖擊，使得動摩擦力無法提供運(yùn)動物體的加速度，從而保持在原來位置，接著控制PZT壓電陶瓷以較小的速度返回，從而實(shí)現(xiàn)靜摩擦力帶動物體運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)微位移，因此也被稱為慣性粘滑驅(qū)動。

圖1粘滑驅(qū)動原理

如圖1所示。該原理的工作過程可以分為三個(gè)階段：初始階段，在沒有驅(qū)動電壓信號的情況下，壓電陶瓷和被驅(qū)動的滑塊保持靜止；第二階段，隨著一個(gè)緩慢上升的電信號的到來，壓電陶瓷和滑塊共同運(yùn)動，即粘滯階段，此時(shí)靜摩擦力作為驅(qū)動力，二者“粘"在一起運(yùn)動；第三階段，電壓信號急速下降，壓電陶瓷由于其良好的響應(yīng)特性，立即發(fā)生了快速的收縮，由于慣性力的存在，即摩擦力無法提供大的加速度動力，滑塊不會及時(shí)隨壓電陶瓷同步運(yùn)動，滑塊與壓電陶瓷產(chǎn)生相對滑動，保持原來位置，即滑動階段。重復(fù)這個(gè)周期將使滑塊連續(xù)向前運(yùn)動，對于反向運(yùn)動，使用反向驅(qū)動電壓模式即可。

粘滑驅(qū)動實(shí)質(zhì)上就是以摩擦力為驅(qū)動源，達(dá)到被驅(qū)動體的微小移動。利用粘滑效應(yīng)的壓電精密運(yùn)動機(jī)構(gòu)，依靠鋸齒形電壓激勵(lì)下壓電陶瓷運(yùn)動造成的動靜摩擦力之差異致動，可以工作在步進(jìn)運(yùn)動和靜態(tài)掃描兩種模式下，且快速運(yùn)動模式下可以忽略壓電陶瓷的非線性影響。粘滑驅(qū)動原理實(shí)現(xiàn)方便、控制簡單，具有運(yùn)動范圍大、分辨率高、結(jié)構(gòu)簡單、易于微小和精確定位等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合壓電陶瓷特殊的性能，許多基于該原理的驅(qū)動器都得以應(yīng)用。

其中最常見的就是直線運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的應(yīng)用。

一、應(yīng)用于直線壓電馬達(dá)

粘滑式直線壓電馬達(dá)一般由軸承軌道、運(yùn)動面（即移動部分）、摩擦觸點(diǎn)、一端固定的壓電陶瓷促動器組成。壓電陶瓷隨著驅(qū)動電壓升高而伸長，由于運(yùn)動面與接觸點(diǎn)的摩擦力，運(yùn)動面會隨著壓電陶瓷一起運(yùn)動。當(dāng)壓電陶瓷到最大形變量時(shí)，施加快速降低的電壓使壓電陶瓷快速回縮到初始狀態(tài)。由于慣性，運(yùn)動面保持靜止，而壓電陶瓷回復(fù)到了初始狀態(tài)，如此往復(fù)壓電馬達(dá)就可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的直線運(yùn)動。

芯明天直線壓電馬達(dá)采用了壓電式粘滑原理，下面為幾款產(chǎn)品的簡單參數(shù)。

N56系列直線壓電馬達(dá)

基本參數(shù)

直線行程：10、20或30mm

運(yùn)動速度：5mm/s

承載能力：0.5kg

保持力：4.5N

N31 系列直線壓電馬達(dá)

基本參數(shù)

直線行程：25、50或100mm

運(yùn)動速度：10mm/s

承載能力：5kg

保持力：40N

分辨率：<0.1nm

可選光柵傳感器閉環(huán)

二、應(yīng)用于壓電螺釘（旋轉(zhuǎn)）

壓電粘滑驅(qū)動電機(jī)也可以通過配置產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。雖然壓電粘滑驅(qū)動電機(jī)不能直接產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，但它可以通過驅(qū)動非常精細(xì)的螺距螺釘產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。在這種設(shè)計(jì)中，壓電陶瓷執(zhí)行器兩端的鉗口與螺釘接觸，在兩側(cè)夾住螺桿，相距180°嚙合。當(dāng)壓電陶瓷執(zhí)行器快速膨脹和收縮時(shí)，鉗口就會轉(zhuǎn)動螺釘，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。