壓電諧波電機的研究

　　收穡日期基金項目然科學基金資助項。

　　壓電陶瓷以體積小、驅動力大、分辨率高的特點，已成功應用到各種精密機械中。

　　諧波傳動具備運動精度高、回差小、傳動比大、質量輕、體積小、承載能力大、并能在密閉空間和介質輻射的工況下正常工作等優點。其傳動原理是辦聯工程師A.E.Moskwijin首先于1947年提出來的。1959年美國工程師C.W.Mussei發明了具有機械波發生器的諧波齒輪傳動。諧波傳動目前被廣泛應用于航空航天、機器人、雷達系統、機床、儀器儀表、光學儀器以及醫療器械等領域。

　　壓電諧波電機是一種通過壓電陶瓷驅動并結合諧波傳動技術的一種新型步進電機，它將壓電驅動和諧波傳動有機的結合起來，可實現低速、高精度驅動，在精密機械中具有很好的應用前景。在國外，1990年Ishida等人首先利用諧波原理開發出壓電馬達，隨后在英國伯明翰大學TimKing、WeiXu和在德國的OliverBarth也進行了對諧波壓電馬達的研究和設計，他們僅制作出了較為粗糙的原理樣機，性能較差，還不能應用到實際中，目前一直停留在實驗階段。為了使其能夠具有優良的性能并在實踐中得以應用，還需在設計原理、結構方案、機械機構和控制系統設計以及試驗方面進行深入研究。

　　2壓電諧波電機的工作原理諧波齒輪傳動裝置通常被作為減速器來實現傳動的功能。高速電機通過輸入軸帶動波發生器做旋轉運動，使柔輪產生周期性的彈性變形，通過柔輪和剛輪間的嚙合或摩擦實現速度轉換，固定柔輪或剛輪中的一個構件，另一構件則會以低速旋轉。根據諧波傳動原理，無論波發生器部件旋轉與否，只要能使柔輪按一定規律產生周期性的連續的或脈動式的彈性變形，便可獲得低速的輸出。由此出現了多種不通過波發生器的旋轉輸入，而利用固定的不同驅動元件的周期位移輸出驅動柔輪變形的波發生器，如液壓式波發生器、氣壓式波發生器和電磁波發生器等。這樣就使諧波傳動起到了把不同的能量轉換為機械能的作用，具有原動機的性質，因而被稱為諧波馬達“0.壓電陶瓷具有可電致伸縮的壓電逆效應，因此，可設計由壓電陶瓷作為受控驅動部件組成一種新型的諧波傳動波發生器，通過控制壓電陶瓷驅動器的伸縮變形，驅動柔輪按一定規律進行變形，進而實現柔輪或剛輪低速的旋轉，由此設計的裝置便稱為壓電諧波電機。

　　3壓電諧波電機的設計3.1壓電陶瓷驅動器壓電驅動形式有直線變形和彎曲變形兩種。

　　直線型又分為單板型和層疊型。在厚為1cm的PZT壓電陶瓷兩端施加5kV的電壓，只能得到約10Lm的位移，因此單板型變形太小，缺乏實用性。如果把10個1mm的壓電陶瓷片重疊起來（膠接或者燒結），每片加500V的電壓，也會得到同樣大的變形量，而且具有在獲得相同比例的變形下不易破壞的優點，這就是層疊型壓電驅動器。現在已能制造出0. 05mm的壓電晶體薄片。層疊型壓電驅動器不僅變形量大，且承載力大，響應快，位移可重復性好，體積效率高，電場控制相對簡單等優點以電子工業部二十六所制作的WTYD080810型壓電驅動器為067N，最大位移10Lm，回零位移再現性0.10Lm.變形量，但其驅動位移還是不能滿足驅動柔輪變形的要求，所以必須設計其相應的位移放大機構。位移放大機構一般可利用杠桿機構、三角幾何放大及壓曲放大等放大原理進行設計，為避免間隙和摩擦，保證機構的精密性，常采用柔性較鏈代替普通較鏈進行連接。采用放大機構，會隨著位移的放大，驅動力也隨之降低。同時因為柔性較鏈的彈性變形產生反力并存在位移損失，而影響放大效果。所以放大機構的設計是影響驅動性能的關鍵，應對其各部分尺寸進行優化設計，以得到最佳的放大效果。

　　3.3結構型式選擇諧波傳動裝置按波發生器相對于柔輪的配置可2微位移放大機構的設計3.4傳動型式選擇bookmark6◎雖采疊式壓電§器°可得到相對較大的ubl呻蜱盧摩擦式1r她tsreserved.httP://www.cnkinet分為內波和外波兩種傳動型式，所以，壓電諧波電機也可按此兩種型式進行設計。其配置原理圖如、2所示。內波式諧波電機由于能有效利用柔輪內部空間，所以容易小型化，一般尺寸較小，但也因此限定了壓電驅動器的大小，能使用的壓電驅動器所提供的有效位移很小。外波式諧波電機尺寸較大，可選擇較大尺寸的壓電驅動器，從而得到更為理想的驅動位移，但同時又會使電機的尺寸加大。本設計為內波式壓電諧波電機。

　　摩檫式諧波傳動，工藝較簡單，柔輪和剛輪表面為耐磨材料組成，不需特別進行加工。對柔輪的變形量也沒有特別的要求，所以更容易實現對柔輪的驅動。但由于它主要靠摩檫來傳遞運動，所以磨損較為嚴重，承載能力、傳動效率和傳動精度較低。

　　3.4.2齒嚙式齒嚙式諧波傳動，是在柔輪外表面和剛輪內表面上（對于外波形式則分別為內表面和外表面）制造了相同模數的齒，所以工藝相對復雜，但在工作中只是柔輪輪齒和剛輪輪齒間的低速滑動，所以磨損較小，承載能力、傳動效率和精度都很高。但對柔輪變形量、柔輪半徑等參數的要求很嚴格，其中柔輪的最大變形量為柔輪和剛輪的齒數差的1/2（Z柔輪-Z剛輪/2）乘以模數m.如果選擇雙波二齒差諧波傳動（Z柔輪-Z剛輪=2）進行設計，模數m=0.3mm時，柔輪單向最大變形量為wo= 0.3mm，所以需要壓電陶瓷最大變形量經位移放大后能達到同樣數值2倍的位移量。本設計采用齒嚙式壓電諧波電機。

　　3.5柔輪變形波數及變形規律選擇對于齒嚙式雙波傳動，其齒數差為2，所以壓電驅動器的數目必須要在4組以上，并沿圓周方向呈均勻分布，根據其對稱性組數要為偶數組（6、8、10等）。

　　對于三波傳動，其齒數差為3，所以沿圓周方向呈均勻分布的壓電驅動器的數目必須要在6組以上，并且要為3的倍數（9、12、15等）。

　　雖然三波傳動具有嚙合深度大、自動定心性好等優點，但是由于柔輪中的應力較大，所以應用相對較少。因此，壓電諧波電機的柔輪變形波數采用了實際中應用最多、綜合性能較好的雙波，其變形型式采用標準橢圓變形型式。橢圓極坐標方程為為柔輪內柱面半徑，w、w（分別為柔輪徑向位移和徑向最大變形量。

　　4設計實例為采用齒嚙式內波型雙波諧波傳動的壓電諧波電機的一種結構簡圖。其壓電波發生器由8組壓電陶瓷驅動器及相應的柔性鉸鏈位移放大機構組合而成，沿圓周方向均勻分布。為了得到足夠的驅動位移，設計了結構對稱的柔性鉸鏈一體化的三級位移放大機構，第一級采用三角放大機構，第二級尺寸進行優化設計得到了較為理想的放大效果。為了增加壓電波發生器與柔輪的接觸面積，在最后一級采用壓曲構件，可有助于保持柔輪變形形狀和改5控制系統設計壓電諧波電機的設計重點是根據設計要求設計壓電式諧波發生器的結構及其控制電路。由于壓電波發生器的形狀是由控制電路控制，因此，同一壓電波發生器可適用不同的波發生器形狀，只是在應用不同的波發生器形狀時（相當于選擇不同的波發生器類型），它適用的柔輪（內徑不變）、剛輪的嚙合參數（齒數/傳動比、模數、變位系數、徑向變形量系數等）將會不同。驅動壓電諧波電機，只需按時序控制各組壓電驅動器的變形量，使位移放大機構與柔輪接觸的各離散點的變形量滿足柔輪變形規律。確保柔輪與剛輪輪齒區不用嚙合。

　　以為例，因為是雙波諧波傳動，所以關于直徑對稱的兩組壓電驅動器變形狀況完全一致，可作為一相進行控制，由此可將8組壓電驅動器分成A、B、C、D四相。

　　為杠桿放大機構5第三級為壓曲放大機構，通過對機進行調換向、數計算鎖定力矩等控制。net在設計的控制系統中，首先根據選定型式的波發生器作用下柔輪的變形形狀數據，將壓電波發生器與柔輪接觸的各離散點的徑向位移數據存儲到單片機中，由單片機將數據送至D/A轉換電路轉換成模擬量，然后由經功率放大后的驅動電壓（V1，V2，V3）來驅動各組壓電驅動器，可按所示相序對A、B、C、D各相進行控制，得到的壓電波發生器的變形圖如所示。通過對控制器的編程可容易地對壓電驅動器驅動電壓波形圖以上是采用四力作用型的控制，為了保證柔輪與剛輪輪齒順利嗤入、嗤出，保證傳動質量，實際開發中采用了二力與四力作用型相合控制。

　　6結束語壓電諧波電機是一種基于諧波傳動原理的新型低速電機，具有低速輸出、功率密度大、結構簡單、尺寸小、轉動慣量小、定位精度高、效率高、噪音低等特點。通過控制系統可實現調速、換向、步數計算、鎖定力矩等控制功能。因采用了壓電驅動器，還可免受強磁和放射線的影響。它在精密工程、微型系統工程以及精密定位控制系統中有廣闊的應用前景。

　　為了滿足日益增長的傳動小型化的要求，如果簡單地采用縮小傳統的直流傳動裝置尺寸的方法，而不是改變其結構原理，那么為了產生需要的功率，所生產的馬達就必須以高速旋轉，這種形式的高速小型馬達在醫藥以及精密工程等領域中應用廣泛。

　　但是精密定位要求它們必須安裝減速器，如此帶來了傳動回差、低效、尺寸大、制造工藝復雜且造價較高等缺點，而目前還沒有高分辨率的小尺寸編碼器。

　　雖然壓電超聲馬達的尺寸很小，可以低速輸出較大扭矩，但它是利用壓電體振動產生行波，依靠摩擦進行傳動的，存在著發熱以及無法估計的滑動現象，因此要實現精密定位，它也必須使用小型編碼器。另外，隨著載荷的增大，在施加相同電壓的情況下，壓電體的振幅會變小，這使驅動變得很困難。因此目前的電磁馬達還無法滿足結構簡單，尺寸小，定位精度高，動力學特性好以及在開環系統中實現定位的要求。結合了壓電驅動器、位移放大器、柔輪、剛輪的諧波壓電馬達技術可以滿足以上要求。