低壓驅(qū)動(dòng)V形直線超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)

黃衛(wèi)清，楊成龍，沈兆琛，薛昊東，安大偉

（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州510006）

1 引 言

壓電直線電機(jī)具有定位和速度控制精度高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，易實(shí)現(xiàn)裝置的小型化和輕量化等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于精密驅(qū)動(dòng)等相關(guān)領(lǐng)域［1-3］。1982年，Sashida［1］率先提出基于蘭杰文振子的直梁式直線超聲電機(jī)，通過(guò)梁兩端的蘭杰文振子在直梁上產(chǎn)生行波，推動(dòng)動(dòng)子。1998年，Kurosawa［4］首次提出一種V形直線超聲電機(jī)，利用雙蘭杰文振子連接形成的V形結(jié)構(gòu)作為定子，通過(guò)同時(shí)激發(fā)定子的對(duì)稱與反對(duì)稱模態(tài)，在定子驅(qū)動(dòng)足形成處橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，由定、動(dòng)子之間的摩擦作用由驅(qū)動(dòng)足推動(dòng)動(dòng)子，該電機(jī)最大空載速度達(dá)到3.5 m/s，最大輸出力達(dá)到51 N（驅(qū)動(dòng)電壓的有效值為500 V）。2006年，Ibrahim［5］設(shè)計(jì)了一種基于桿結(jié)構(gòu)的V形定子，將桿彎折成V形，在桿端部布置蘭杰文振子，于V形桿尖端的驅(qū)動(dòng)足獲得了較大振幅。在國(guó)內(nèi)，楊東［6］等人于2009年將矩形變幅桿應(yīng)用于Kurosawa電機(jī)定子的振子上，相對(duì)于原來(lái)的突變截面桿，連續(xù)變截面桿具有更高的振動(dòng)能量傳輸效率，該電機(jī)的最大推力為21.4 N，最大速度為235 mm/s（驅(qū)動(dòng)電壓為300 Vpp）。2017年，李曉牛［7］等人設(shè)計(jì)了一種貼片式V形壓電直線電機(jī)，采用橢圓柔性鉸鏈將兩個(gè)雙面貼著壓電片的梁連接在一起形成V形結(jié)構(gòu)，并利用定子縱振和彎振的耦合模態(tài)工作，其最大空載速度達(dá)到1.2 m/s（驅(qū)動(dòng)電壓為350 Vpp）。2019年，姚志遠(yuǎn)［8］等人提出了一種板形壓電直線電機(jī)，定子由兩厚度為8 mm的矩形板聯(lián)結(jié)成V形結(jié)構(gòu)，特別適用于狹窄空間的作業(yè)。上述研究工作中，V形超聲電機(jī)已經(jīng)衍生出多種不同的結(jié)構(gòu)，獲得了優(yōu)良的機(jī)械性能。

壓電致動(dòng)器已廣泛應(yīng)用于航空航天、鏡頭調(diào)焦系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、微型機(jī)器人關(guān)節(jié)及微位移驅(qū)動(dòng)平臺(tái)等領(lǐng)域。V形直線壓電電機(jī)經(jīng)過(guò)20余年的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn)多樣化，輸出性能也逐步提高。然而，基于傳統(tǒng)蘭杰文換能器結(jié)構(gòu)的V形直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓較高、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，這對(duì)提高V形直線壓電電機(jī)的輸出效率以及推重比形成了制約，一定程度上限制了V形直線壓電電機(jī)的小型化和應(yīng)用范圍。本文通過(guò)分析疊層壓電陶瓷的低壓驅(qū)動(dòng)機(jī)理，設(shè)計(jì)了多層壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的V形超聲電機(jī)，通過(guò)設(shè)計(jì)振子結(jié)構(gòu)和夾持裝置結(jié)構(gòu)，制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并測(cè)試了壓電振子阻抗，進(jìn)一步研究了樣機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓、預(yù)壓力與輸出特性的關(guān)系。通過(guò)采用疊層壓電陶瓷振子設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了V形直線電機(jī)在低壓驅(qū)動(dòng)下的大推力輸出，可為直線壓電電機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

2 V形直線超聲電機(jī)運(yùn)行機(jī)理

V形直線超聲電機(jī)在運(yùn)行時(shí)需要利用定子的對(duì)稱模態(tài)和反對(duì)稱模態(tài)，在定子驅(qū)動(dòng)足產(chǎn)生橢圓軌跡，通過(guò)摩擦作用完成定、動(dòng)子之間的運(yùn)動(dòng)傳遞。當(dāng)左右兩振子做同向伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，即形成對(duì)稱模態(tài)，此時(shí)，定子驅(qū)動(dòng)足端面上形成豎直方向上的振動(dòng)；當(dāng)兩振子做互為反向的伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，即形成反對(duì)稱模態(tài)，此時(shí)，定子驅(qū)動(dòng)足端面上合成水平方向上的直線運(yùn)動(dòng)［9］。當(dāng)這兩種模態(tài)在驅(qū)動(dòng)足的響應(yīng)具有90°的相位差時(shí)，就可以在驅(qū)動(dòng)足端面形成橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)摩擦力驅(qū)動(dòng)動(dòng)子。

圖1 V形直線超聲電機(jī)作動(dòng)原理Fig.1 Working principles of V-shaped linear ultrasonic motor

其作動(dòng)原理如圖1所示，圖中a，b，c和d對(duì)應(yīng)定子一個(gè)工作周期中的不同運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)定子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)處于反對(duì)稱模態(tài)的最大伸長(zhǎng)位置（a）時(shí)，定子驅(qū)動(dòng)足端面與動(dòng)子（滑軌）脫離接觸；在定子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)從a到b（對(duì)稱模態(tài)的最大收縮位置）的過(guò)程中，定子驅(qū)動(dòng)足與動(dòng)子持續(xù)脫離，對(duì)動(dòng)子不產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用；在定子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由b變化至c（反對(duì)稱模態(tài)反方向的最大伸長(zhǎng)位置）的過(guò)程中，在最后一刻，驅(qū)動(dòng)足與動(dòng)子開(kāi)始接觸；在定子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由c至d（對(duì)稱模態(tài)的最大伸長(zhǎng)位置）的過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)足與動(dòng)子持續(xù)接觸，在預(yù)壓力和摩擦作用力下，驅(qū)動(dòng)足帶動(dòng)動(dòng)子向右移動(dòng)了一段距離；在定子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由d到a的過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)足與動(dòng)子持續(xù)接觸，又將滑軌向右?guī)?dòng)了一段距離，直至最后一刻脫離接觸，驅(qū)動(dòng)足完成了空間上的一個(gè)橢圓運(yùn)動(dòng)，而動(dòng)子完成一個(gè)直線步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)互換兩振子激勵(lì)信號(hào)的相位，就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，促成動(dòng)子的反向運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)電機(jī)的作動(dòng)原理和施加在振子上的周期信號(hào)，可以將定子簡(jiǎn)化后推導(dǎo)出電機(jī)驅(qū)動(dòng)足的軌跡方程。將定子假設(shè)為簡(jiǎn)單的V形梁，對(duì)左右兩振子施加正弦激勵(lì)信號(hào)［10］，設(shè)在梁1（振子1）上施加激勵(lì)信號(hào)后對(duì)應(yīng)的振動(dòng)位移響應(yīng)函數(shù)為：

設(shè)在梁2（振子2）上施加激勵(lì)信號(hào)后對(duì)應(yīng)的振動(dòng)位移響應(yīng)函數(shù)為：

其中：A，B為對(duì)應(yīng)壓電陶瓷的位移響應(yīng)幅值，α，β為對(duì)應(yīng)激勵(lì)響應(yīng)的相位角。將式（1）和式（2）中的參數(shù)t消去并結(jié)合公式：

可得：

當(dāng)激勵(lì)信號(hào)相位差為90°時(shí)，也就是β?α=π/2時(shí)，式（4）為：

式（5）是一個(gè)橢圓方程［11］。這表明，當(dāng)對(duì)定子上的左右兩組壓電陶瓷施加相位差為90°的激勵(lì)信號(hào)時(shí)，這兩組壓電陶瓷的位移響應(yīng)在空間上形成90°相位差，就可以在定子驅(qū)動(dòng)足處形成橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡［12］。

3 低壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 為設(shè)計(jì)的V形直線超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)，電機(jī)由基座、預(yù)緊裝置、夾持裝置、滑軌、陶瓷條和振子等構(gòu)成。動(dòng)子采用帶導(dǎo)向滑塊的VRU6-210滑軌，可以通過(guò)螺栓連接固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上。加裝基座增加定子高度，使驅(qū)動(dòng)足端面和動(dòng)子的滑軌平面保持全面接觸。此外，基座尾部加工有螺紋孔，將螺栓套入彈簧與基座串聯(lián)，配合夾持裝置給定子與滑軌施加初始的預(yù)壓力。

3.1 低壓驅(qū)動(dòng)原理

圖2 V形直線超聲電機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of V-shaped linear ultrasonic motor

疊層壓電陶瓷通常選用相同厚度的壓電陶瓷片疊加，由電極片將極化方向相反的壓電陶瓷片隔離。樣機(jī)單振子采用8片型號(hào)為PZT-8的壓電陶瓷片組成的疊層陶瓷組，陶瓷片之間使用銅極片分離，相鄰壓電陶瓷片的極化方向相反。壓電陶瓷片的尺寸規(guī)格為20 mm×20 mm×0.5 mm，中間有一個(gè)φ4 mm的圓孔，通過(guò)螺栓連接夾緊，結(jié)構(gòu)如圖3所示。壓電陶瓷片極化方向與螺栓孔軸線方向一致，以便使振子在中心軸方向產(chǎn)生最大位移。加工時(shí)陶瓷片兩側(cè)鍍銀層，可以使電荷在陶瓷片兩側(cè)均勻分布，減小對(duì)輸出性能的影響。

圖3 疊層壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Structural model of laminated piezoelectric ceramics

疊層中的壓電陶瓷采用機(jī)械結(jié)構(gòu)上的串聯(lián)、電學(xué)結(jié)構(gòu)上的并聯(lián)的形式［13］。從機(jī)械結(jié)構(gòu)上看，其串聯(lián)形式類似于彈簧，每片壓電陶瓷在極化方向上的位移起到了一個(gè)累加的效果，從而獲得了較大的輸出位移；從電學(xué)結(jié)構(gòu)上看，疊層壓電陶瓷是由幾何、物理參數(shù)相同的壓電片組成，各片之間有電極以便給壓電片施加驅(qū)動(dòng)電壓，由于采用的是電學(xué)上并聯(lián)的連接方式，施加至各壓電片中的驅(qū)動(dòng)電壓都是U。

壓電陶瓷片兩表面上所施加電壓U和電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系可表示為［14］：

其中t為單層壓電陶瓷片的厚度。

單片壓電陶瓷在極化方向上的輸出位移Δl1可表示為：

式中d33為壓電應(yīng)變系數(shù)。

由N片壓電陶瓷組成的疊層壓電陶瓷在厚度方向的輸出位移ΔlN為：

根據(jù)式（7）和式（8）可以看出，當(dāng)單片壓電陶瓷的厚度和疊層壓電陶瓷的總厚度相同，且兩者的輸出位移一樣時(shí)，單片壓電陶瓷所需的驅(qū)動(dòng)電壓是疊層壓電陶瓷的N倍，所以使用疊層壓電陶瓷的定子可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的低壓驅(qū)動(dòng)。

3.2 V形振子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

V形定子結(jié)構(gòu)如圖4所示，所選材料為45#鋼。前端蓋采用兩方柱體相交的結(jié)構(gòu)，端面到驅(qū)動(dòng)足逐漸收縮形成側(cè)棱。后端蓋設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方體，作為兩個(gè)單獨(dú)元件。前端蓋打有螺紋孔，后端蓋為通孔，利用高強(qiáng)度六角螺栓將前端蓋和后端蓋之間的壓電陶瓷和銅極片壓緊。整個(gè)電機(jī)采用了兩組共計(jì)16片壓電陶瓷，每片壓電陶瓷接觸兩片銅極片，位于同一振子上的銅極片用導(dǎo)線相連，構(gòu)成A，B兩相。

圖4 V形壓電直線電機(jī)定子結(jié)構(gòu)Fig.4 Stator structure of V-shaped piezoelectric linear motor

3.3 基于柔性鉸鏈的驅(qū)動(dòng)足設(shè)計(jì)

柔性鉸鏈具有無(wú)間隙、無(wú)摩擦和運(yùn)動(dòng)靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)［15-16］，在壓電電機(jī)中得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。為了方便電機(jī)加工，同時(shí)節(jié)約成本，增加經(jīng)濟(jì)效益，采用類V型柔性鉸鏈，其結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示。兩蘭杰文振子的柔性鉸鏈相連接，在連接處形成驅(qū)動(dòng)足，兩柔性鉸鏈的端部聚合形成側(cè)楞，與定子形成線接觸，如圖5（b）所示。一般情況下，使用較為復(fù)雜的摩擦模型可以有效提高精確度，接觸面積越大，機(jī)械性能越好。但在定子驅(qū)動(dòng)動(dòng)子的過(guò)程中，摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，動(dòng)子多次的往返運(yùn)動(dòng)會(huì)造成摩擦損耗，不利于電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定輸出，故采取線接觸的方式驅(qū)動(dòng)動(dòng)子。

圖5 V型柔性鉸鏈和驅(qū)動(dòng)足結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of V-shaped flexible hinge and driving foot

3.4 夾持裝置設(shè)計(jì)

夾持裝置對(duì)定子施加垂直于動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方向的預(yù)壓力，使定子和動(dòng)子之間保持一定程度的接觸，提供平行于動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方向的摩擦力［17-18］。定、動(dòng)子之間通過(guò)摩擦作用將定子的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成動(dòng)子的直線運(yùn)動(dòng)［19］。

本文設(shè)計(jì)了兩種夾持方式，第一種采用一端固定鉸支，另一端提供預(yù)壓力的鉸支梁結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。這種鉸支梁結(jié)構(gòu)是繞固定鉸鏈端旋轉(zhuǎn)的，而不是定子質(zhì)心，當(dāng)電機(jī)切換驅(qū)動(dòng)電壓使它正反轉(zhuǎn)時(shí)，一端固定鉸支的鉸支梁結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致定動(dòng)子之間接觸力不同，電機(jī)正反輸出性能不對(duì)稱；此外，振子彎振模態(tài)的轉(zhuǎn)角處最大處受到限制，從而抑制了彎振模態(tài)的激發(fā)，影響了電機(jī)工作的穩(wěn)定性和輸出性能。

圖6 單邊鉸支電機(jī)夾持裝置Fig.6 Single-side hinged motor clamping device

第二種為自適應(yīng)夾持結(jié)構(gòu)，如圖7所示。在垂直于單個(gè)振子軸線的方向，用兩個(gè)對(duì)稱的兩端固支的彈性梁頂住加裝凹槽的螺栓，并在前端蓋變截面處黏貼彈性墊片，用兩塊亞克力板將電機(jī)夾在中間，用螺釘與螺母固定上下板。相較于第一種，自適應(yīng)夾持裝置是軸對(duì)稱的，會(huì)降低電機(jī)正反轉(zhuǎn)的差異；當(dāng)給定子施加預(yù)壓力時(shí)，左右兩振子底部的彈性梁會(huì)使定動(dòng)子之間保持一定的預(yù)壓力，而振子彎振模態(tài)的轉(zhuǎn)角最大處則不像第一種夾持裝置一樣與固定鉸支端和預(yù)壓力端相連接，只是采用支撐桿限制定子的位置，降低了對(duì)振子彎縱振的影響，從而保證電機(jī)能夠穩(wěn)定工作，提升了輸出效率，故夾持裝置最終選擇自適應(yīng)夾持裝置設(shè)計(jì)方案。

圖7 自適應(yīng)電機(jī)夾持裝置Fig.7 Adaptive motor clamping device

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)及分析

圖8 所示為電機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)的實(shí)物圖。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括氣浮穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、示波器、V形直線超聲電機(jī)樣機(jī)、位移傳感器、壓力傳感器和負(fù)載砝碼等。

圖8 電機(jī)性能測(cè)試裝置實(shí)物圖Fig.8 Physical image of motor performance test device

4.1 V形振子模態(tài)與阻抗測(cè)試實(shí)驗(yàn)

4.1.1 模態(tài)測(cè)振實(shí)驗(yàn)

用三維多普勒激光測(cè)振儀（PSV-300F）對(duì)V形定子進(jìn)行模態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，其對(duì)稱模態(tài)和反對(duì)稱模態(tài)振型如圖9所示。根據(jù)對(duì)稱模態(tài)和反對(duì)稱模態(tài)的特征頻率初步確認(rèn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率區(qū)間大致在32～41 kHz。將測(cè)試結(jié)果與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行比較，其結(jié)果見(jiàn)表1。模態(tài)特征頻率值與仿真值存在一定誤差，這主要是由于仿真過(guò)程中的約束邊界條件及材料選擇均采用理想化模型，而制造過(guò)程中引進(jìn)了加工裝配誤差和固有材料缺陷，以及實(shí)際的物理場(chǎng)邊界約束差異。

4.1.2 阻抗測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為保證電機(jī)工作狀態(tài)穩(wěn)定，動(dòng)子正反轉(zhuǎn)的輸出性能相同，需驗(yàn)證V形定子左右兩振子振動(dòng)特性的一致性。采用阻抗分析儀對(duì)兩邊振子進(jìn)行阻抗測(cè)試，振子1（W1）和振子2（W2）的阻抗特性曲線如圖10所示。在特征頻率點(diǎn)附近，阻抗曲線會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波谷和一個(gè)波峰，波谷處即為特征頻率點(diǎn)，兩振子在驅(qū)動(dòng)頻率區(qū)間（32～41 kHz）出現(xiàn)了兩個(gè)特征頻率點(diǎn)，依次為反對(duì)稱模態(tài)和對(duì)稱模態(tài)，兩振子的阻抗曲線和相位曲線在整個(gè)測(cè)試頻率范圍大致相同，振動(dòng)特性較為一致。

4.2 激勵(lì)頻率與空載速度關(guān)系分析

圖9 定子振型Fig.9 Mode shapes of stators

表1 兩模態(tài)特征頻率的仿真值與實(shí)驗(yàn)值Tab.1 Simulation and experiment values of natural fre?quency of two models

基于振子模態(tài)測(cè)試與阻抗測(cè)試結(jié)果，V形直線超聲電機(jī)的對(duì)稱頻率與反對(duì)稱頻率相差約5 kHz，利用解析方法得到電機(jī)最佳驅(qū)動(dòng)頻率存在一定困難，本文采用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試電機(jī)激勵(lì)頻率與空載速度的關(guān)系，以獲取電機(jī)的最佳驅(qū)動(dòng)頻率。

在空載條件下，給電機(jī)施加50 N的預(yù)壓力，分別給兩振子施加50 Vpp、兩相相位差為90°的正弦驅(qū)動(dòng)電壓，用秒表測(cè)量電機(jī)滑軌輸出滿行程所用的時(shí)間，在同等條件下記錄5次并取平均值，得到電機(jī)在此頻率下的輸出速度。測(cè)量頻率為34.5～39 kHz激勵(lì)信號(hào)下電機(jī)的速度，最終得到電機(jī)輸出速度隨頻率的變化曲線，結(jié)果如圖11所示。

圖10 單相振子阻抗實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Results of single phase oscillator impedance

由圖11可以看出，當(dāng)激勵(lì)頻率在對(duì)稱模態(tài)特征頻率和反對(duì)稱模態(tài)特征頻率附近時(shí)，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速處于較低水平，而最佳工作頻率處于對(duì)稱模態(tài)頻率和反對(duì)稱模態(tài)頻率之間，在激勵(lì)頻率為37 kHz時(shí)電機(jī)的輸出速度達(dá)到最大，為1.221 m/s，即電機(jī)的最佳驅(qū)動(dòng)頻率處于37 kHz附近。最佳驅(qū)動(dòng)頻率并不是在反對(duì)稱模態(tài)特征頻率（34.14 kHz）或是對(duì)稱模態(tài)特征頻率（39.25 kHz）附近，這是因?yàn)殡姍C(jī)的運(yùn)行需要振子驅(qū)動(dòng)足在水平方向和豎直方向均滿足一定的振動(dòng)幅度，以耦合形成驅(qū)動(dòng)足質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖11 速度與激勵(lì)頻率的關(guān)系Fig.11 Relationship between velocity and excitation fre?quency

當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率在反對(duì)稱模態(tài)特征頻率附近時(shí)，驅(qū)動(dòng)足沿水平方向的振幅最大，但此驅(qū)動(dòng)頻率離對(duì)稱模態(tài)特征頻率較遠(yuǎn)，驅(qū)動(dòng)足豎直方向的振幅較小，所以此驅(qū)動(dòng)頻率下的電機(jī)輸出速度不是整個(gè)驅(qū)動(dòng)頻率范圍內(nèi)最大的；同理，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率在對(duì)稱模態(tài)特征頻率時(shí)，輸出速度也不是最大的。此外，當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率低于36 kHz或者高于38 kHz時(shí)，動(dòng)子導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)較慢或者無(wú)法被驅(qū)動(dòng)。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選定的驅(qū)動(dòng)頻率為36～38 kHz。

4.3 預(yù)壓力對(duì)輸出速度的影響

圖12 不同預(yù)壓力下的電機(jī)速度曲線Fig.12 Speed curves of motor under different pre-pres?sures

電機(jī)定子與動(dòng)子之間需要靠摩擦力實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞，而預(yù)壓力與摩擦力呈正相關(guān)關(guān)系，所以預(yù)壓力的設(shè)置對(duì)電機(jī)輸出性能有很大的影響?？蛰d條件下，分別給兩振子施加50 Vpp，37 kHz、兩相相位差為90°的正弦驅(qū)動(dòng)電壓，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)在串聯(lián)基座和壓力傳感器的螺栓來(lái)調(diào)節(jié)預(yù)壓力，測(cè)量在預(yù)壓力為0～80 N內(nèi)電機(jī)的輸出速度，得到預(yù)壓力與輸出速度的關(guān)系，其結(jié)果如圖12所示。結(jié)果表明，動(dòng)子輸出速度隨著預(yù)壓力的增大先增大而后減小，在預(yù)壓力為50 N附近，動(dòng)子有最大空載速度且運(yùn)行穩(wěn)定；當(dāng)預(yù)壓力繼續(xù)增大并接近60 N時(shí)，空載速度開(kāi)始陡降。這是由于當(dāng)預(yù)壓力較小時(shí)，無(wú)法為摩擦力提供足夠大的法向壓力，驅(qū)動(dòng)足和滑軌之間會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象；而當(dāng)預(yù)壓力較大時(shí)，驅(qū)動(dòng)足端面的橢圓運(yùn)動(dòng)受到阻礙，繼續(xù)增加預(yù)壓力則會(huì)直接將動(dòng)子鎖死。

4.4 電機(jī)空載輸出和負(fù)載性能實(shí)驗(yàn)

空載條件下，給電機(jī)施加50 N的預(yù)壓力，分別給兩振子施加37 kHz、兩相相位差為90°的正弦驅(qū)動(dòng)電壓，測(cè)得的電機(jī)在不同激勵(lì)電壓下的速度曲線，結(jié)果如圖13所示。由圖可知，隨著激勵(lì)電壓的增加，驅(qū)動(dòng)足振幅逐漸增大，動(dòng)子的空載速度隨之加快。

圖13 不同激勵(lì)電壓下的電機(jī)速度曲線Fig.13 Speed curves of motor under different excitation voltages

電機(jī)的負(fù)載特性是衡量電機(jī)性能的重要指標(biāo)，分別給兩振子施加50 Vpp，37 kHz，兩相相位差為90°的正弦驅(qū)動(dòng)電壓，給滑軌一端系上砝碼，更換不同砝碼以測(cè)得電機(jī)在不同負(fù)載下的輸出速度，得到負(fù)載和輸出速度的關(guān)系如圖14所示。從圖中可以看出，隨著砝碼質(zhì)量的增加，電機(jī)的輸出速度下降，電機(jī)的最大輸出力為25.8 N。此外，當(dāng)負(fù)載不超過(guò)24 N時(shí)，電機(jī)運(yùn)行比較平穩(wěn)。

圖14 電機(jī)的負(fù)載-速度曲線Fig.14 Load-speed curve of motor

5 結(jié) 論

本文提出了一種低壓驅(qū)動(dòng)的V形直線壓電電機(jī)，對(duì)該電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行了理論分析，闡明了疊層壓電陶瓷的低壓驅(qū)動(dòng)原理，開(kāi)展了V形直線壓電電機(jī)及其夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用阻抗測(cè)試實(shí)驗(yàn)和多普勒激光測(cè)振實(shí)驗(yàn)研究了低壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特征模態(tài)與特征頻率，進(jìn)一步開(kāi)展了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，研究了電機(jī)輸出速度與激勵(lì)信號(hào)頻率、預(yù)壓力、電壓和負(fù)載的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低壓50 Vpp、預(yù)壓力50 N的條件下，樣機(jī)的最大空載速度為1.221 m/s，最大負(fù)載為25.8 N，輸出性能良好。