基于分区纵振激励与复合摩擦致动的夹心式压电驱动机构研究

Piezoelectric actuators exhibit the merit of flexible structure. And sandwich type ones adopt the d33 mode of piezoelectric material, which has higher electromechanical coupling efficiency than the d31 mode. However, the high energy density was not well represented in the existing researches of piezoelectric actuators. In order to show the high energy density of piezoelectric actuators more properly, sandwich piezoelectric actuator is investigated in this project. And partition longitudinal vibration excitation and multi-contact friction actuation are adopted to improve the mechanical output performance and system stability of piezoelectric actuator effectively. The vibration model of partition longitudinal vibration excitation will be established to reveal the principle of high energy conversion efficiency and confirm the optimum positions of piezoelectric ceramics. Without regard to traditional elliptical vibration mode of piezoelectric actuators, a new vibration mode will be designed logically to achieve multi-contact friction coupling actuation. Finally, the partition longitudinal vibration excitation will be adjusted reasonably to achieve the multi-contact friction coupling actuation. And a new actuator will be proposed to realize the fusion of partition longitudinal vibration excitation and multi-contact friction coupling actuation, the energy conversion of which in two stages of electro-mechanical coupling and friction coupling will be enhanced. The project will further improve the performance of piezoelectric actuators and accelerate the application in high-tech fields such as aerospace and robotics.

在灵活多变的压电驱动机构设计中，夹心式结构采用压电陶瓷高机电耦合效率的d33模式工作，但仍未达到预期的高能量密度效果。为充分发挥压电驱动机构应有的高能量密度特性，本项目以夹心式压电驱动机构为研究对象，利用分区纵振激励和复合摩擦致动，有效提升驱动机构的输出性能与系统稳定性。通过建立分区纵振激励的振动模型，揭示其高效换能的机理，为压电陶瓷的优化设置提供依据。力图摆脱压电驱动足的单一椭圆振动模式，规划设计新型致动方式，实现复合摩擦输出。最终通过调整分区纵振激励实现压电驱动机构的复合摩擦致动，设计相应的驱动机构来实现两者的优化融合，加强压电驱动机构在机电耦合环节与摩擦耦合环节的能量转换传递。本项目研究将进一步提升压电驱动机构性能，加快其在航空航天及机器人等高科技领域的应用进程。

压电驱动技术具有结构简单、构型多样、力密度高、精度高、响应快、断电自锁、无电磁干扰、环境适应性好等突出优势，已成为推动高端装备向高精尖方向发展的一项核心技术，超精加工、半导体制造、机器人、精密仪器、生命科学、航空航天和武器装备等领域对其均具有迫切的应用需求。在灵活多变的压电驱动机构设计中，夹心式结构采用压电陶瓷高机电耦合效率的d33模式工作，但仍未达到预期的高能量密度效果。为充分发挥压电驱动机构应有的高能量密度特性，本项目利用了分区纵振激励和复合摩擦致动，来加强压电驱动机构在机电耦合环节与摩擦耦合环节的能量转换传递，有效提升了驱动机构的输出性能与系统稳定性。针对传统激励和分区纵振激励进行了致动原理分析，并建立了相应的简化理论模型，归纳出了分区纵振激励方法的优势所在：所有陶瓷均参与复合梁的纵弯模态激励，直接生成椭圆驱动轨迹，避免了传统的振动耦合问题，且仅需传统激励方法中陶瓷总量的1/2，即可实现椭圆驱动轨迹生成，还有当激励电压相位差在0°至180°范围变化时，驱动端中心运动轨迹始终维持正椭圆；基于贴片式行波型超声电机，提出了贴片式行波型双面交错齿超声电机，在以双面驱动为设计前提下又利用全新的交错齿构型保证了电机整体结构的稳定，并设计了相应的双转子驱动机构，解决了传统贴片式行波型超声电机的单侧面振动能量浪费问题；结合超声电机的贴片式与夹心式两种结构的优势，提出了两种夹持式纵弯复合超声电机结构，使其激励电压不再受制于胶层强度，进而获得更高的振幅，且结构简单易于嵌入小型机械装置。本项目提出的夹持式超声电机结构有效实现了分区激励与复合摩擦的优化融合，进一步提升了压电驱动机构性能，为高端装备的突破和发展提供了坚实的理论与技术基础，具有重要的科学意义和突出的实用价值。