压电谐波电机的研究

　　收穑日期基金项目然科学基金资助项。

　　压电陶瓷以体积小、驱动力大、分辨率高的特点，已成功应用到各种精密机械中。

　　谐波传动具备运动精度高、回差小、传动比大、质量轻、体积小、承载能力大、并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作等优点。其传动原理是办联工程师A.E.Moskwijin首先于1947年提出来的。1959年美国工程师C.W.Mussei发明了具有机械波发生器的谐波齿轮传动。谐波传动目前被广泛应用于航空航天、机器人、雷达系统、机床、仪器仪表、光学仪器以及医疗器械等领域。

　　压电谐波电机是一种通过压电陶瓷驱动并结合谐波传动技术的一种新型步进电机，它将压电驱动和谐波传动有机的结合起来，可实现低速、高精度驱动，在精密机械中具有很好的应用前景。在国外，1990年Ishida等人首先利用谐波原理开发出压电马达，随后在英国伯明翰大学TimKing、WeiXu和在德国的OliverBarth也进行了对谐波压电马达的研究和设计，他们仅制作出了较为粗糙的原理样机，性能较差，还不能应用到实际中，目前一直停留在实验阶段。为了使其能够具有优良的性能并在实践中得以应用，还需在设计原理、结构方案、机械机构和控制系统设计以及试验方面进行深入研究。

　　2压电谐波电机的工作原理谐波齿轮传动装置通常被作为减速器来实现传动的功能。高速电机通过输入轴带动波发生器做旋转运动，使柔轮产生周期性的弹性变形，通过柔轮和刚轮间的啮合或摩擦实现速度转换，固定柔轮或刚轮中的一个构件，另一构件则会以低速旋转。根据谐波传动原理，无论波发生器部件旋转与否，只要能使柔轮按一定规律产生周期性的连续的或脉动式的弹性变形，便可获得低速的输出。由此出现了多种不通过波发生器的旋转输入，而利用固定的不同驱动元件的周期位移输出驱动柔轮变形的波发生器，如液压式波发生器、气压式波发生器和电磁波发生器等。这样就使谐波传动起到了把不同的能量转换为机械能的作用，具有原动机的性质，因而被称为谐波马达“0.压电陶瓷具有可电致伸缩的压电逆效应，因此，可设计由压电陶瓷作为受控驱动部件组成一种新型的谐波传动波发生器，通过控制压电陶瓷驱动器的伸缩变形，驱动柔轮按一定规律进行变形，进而实现柔轮或刚轮低速的旋转，由此设计的装置便称为压电谐波电机。

　　3压电谐波电机的设计3.1压电陶瓷驱动器压电驱动形式有直线变形和弯曲变形两种。

　　直线型又分为单板型和层叠型。在厚为1cm的PZT压电陶瓷两端施加5kV的电压，只能得到约10Lm的位移，因此单板型变形太小，缺乏实用性。如果把10个1mm的压电陶瓷片重叠起来（胶接或者烧结），每片加500V的电压，也会得到同样大的变形量，而且具有在获得相同比例的变形下不易破坏的优点，这就是层叠型压电驱动器。现在已能制造出0. 05mm的压电晶体薄片。层叠型压电驱动器不仅变形量大，且承载力大，响应快，位移可重复性好，体积效率高，电场控制相对简单等优点以电子工业部二十六所制作的WTYD080810型压电驱动器为067N，最大位移10Lm，回零位移再现性0.10Lm.变形量，但其驱动位移还是不能满足驱动柔轮变形的要求，所以必须设计其相应的位移放大机构。位移放大机构一般可利用杠杆机构、三角几何放大及压曲放大等放大原理进行设计，为避免间隙和摩擦，保证机构的精密性，常采用柔性较链代替普通较链进行连接。采用放大机构，会随着位移的放大，驱动力也随之降低。同时因为柔性较链的弹性变形产生反力并存在位移损失，而影响放大效果。所以放大机构的设计是影响驱动性能的关键，应对其各部分尺寸进行优化设计，以得到最佳的放大效果。

　　3.3结构型式选择谐波传动装置按波发生器相对于柔轮的配置可2微位移放大机构的设计3.4传动型式选择bookmark6◎虽采叠式压电§器°可得到相对较大的ubl呻蜱卢摩擦式1r她tsreserved.httP://www.cnkinet分为内波和外波两种传动型式，所以，压电谐波电机也可按此两种型式进行设计。其配置原理图如、2所示。内波式谐波电机由于能有效利用柔轮内部空间，所以容易小型化，一般尺寸较小，但也因此限定了压电驱动器的大小，能使用的压电驱动器所提供的有效位移很小。外波式谐波电机尺寸较大，可选择较大尺寸的压电驱动器，从而得到更为理想的驱动位移，但同时又会使电机的尺寸加大。本设计为内波式压电谐波电机。

　　摩檫式谐波传动，工艺较简单，柔轮和刚轮表面为耐磨材料组成，不需特别进行加工。对柔轮的变形量也没有特别的要求，所以更容易实现对柔轮的驱动。但由于它主要靠摩檫来传递运动，所以磨损较为严重，承载能力、传动效率和传动精度较低。

　　3.4.2齿啮式齿啮式谐波传动，是在柔轮外表面和刚轮内表面上（对于外波形式则分别为内表面和外表面）制造了相同模数的齿，所以工艺相对复杂，但在工作中只是柔轮轮齿和刚轮轮齿间的低速滑动，所以磨损较小，承载能力、传动效率和精度都很高。但对柔轮变形量、柔轮半径等参数的要求很严格，其中柔轮的最大变形量为柔轮和刚轮的齿数差的1/2（Z柔轮-Z刚轮/2）乘以模数m.如果选择双波二齿差谐波传动（Z柔轮-Z刚轮=2）进行设计，模数m=0.3mm时，柔轮单向最大变形量为wo= 0.3mm，所以需要压电陶瓷最大变形量经位移放大后能达到同样数值2倍的位移量。本设计采用齿啮式压电谐波电机。

　　3.5柔轮变形波数及变形规律选择对于齿啮式双波传动，其齿数差为2，所以压电驱动器的数目必须要在4组以上，并沿圆周方向呈均匀分布，根据其对称性组数要为偶数组（6、8、10等）。

　　对于三波传动，其齿数差为3，所以沿圆周方向呈均匀分布的压电驱动器的数目必须要在6组以上，并且要为3的倍数（9、12、15等）。

　　虽然三波传动具有啮合深度大、自动定心性好等优点，但是由于柔轮中的应力较大，所以应用相对较少。因此，压电谐波电机的柔轮变形波数采用了实际中应用最多、综合性能较好的双波，其变形型式采用标准椭圆变形型式。椭圆极坐标方程为为柔轮内柱面半径，w、w（分别为柔轮径向位移和径向最大变形量。

　　4设计实例为采用齿啮式内波型双波谐波传动的压电谐波电机的一种结构简图。其压电波发生器由8组压电陶瓷驱动器及相应的柔性铰链位移放大机构组合而成，沿圆周方向均匀分布。为了得到足够的驱动位移，设计了结构对称的柔性铰链一体化的三级位移放大机构，第一级采用三角放大机构，第二级尺寸进行优化设计得到了较为理想的放大效果。为了增加压电波发生器与柔轮的接触面积，在最后一级采用压曲构件，可有助于保持柔轮变形形状和改5控制系统设计压电谐波电机的设计重点是根据设计要求设计压电式谐波发生器的结构及其控制电路。由于压电波发生器的形状是由控制电路控制，因此，同一压电波发生器可适用不同的波发生器形状，只是在应用不同的波发生器形状时（相当于选择不同的波发生器类型），它适用的柔轮（内径不变）、刚轮的啮合参数（齿数/传动比、模数、变位系数、径向变形量系数等）将会不同。驱动压电谐波电机，只需按时序控制各组压电驱动器的变形量，使位移放大机构与柔轮接触的各离散点的变形量满足柔轮变形规律。确保柔轮与刚轮轮齿区不用啮合。

　　以为例，因为是双波谐波传动，所以关于直径对称的两组压电驱动器变形状况完全一致，可作为一相进行控制，由此可将8组压电驱动器分成A、B、C、D四相。

　　为杠杆放大机构5第三级为压曲放大机构，通过对机进行调换向、数计算锁定力矩等控制。net在设计的控制系统中，首先根据选定型式的波发生器作用下柔轮的变形形状数据，将压电波发生器与柔轮接触的各离散点的径向位移数据存储到单片机中，由单片机将数据送至D/A转换电路转换成模拟量，然后由经功率放大后的驱动电压（V1，V2，V3）来驱动各组压电驱动器，可按所示相序对A、B、C、D各相进行控制，得到的压电波发生器的变形图如所示。通过对控制器的编程可容易地对压电驱动器驱动电压波形图以上是采用四力作用型的控制，为了保证柔轮与刚轮轮齿顺利嗤入、嗤出，保证传动质量，实际开发中采用了二力与四力作用型相合控制。

　　6结束语压电谐波电机是一种基于谐波传动原理的新型低速电机，具有低速输出、功率密度大、结构简单、尺寸小、转动惯量小、定位精度高、效率高、噪音低等特点。通过控制系统可实现调速、换向、步数计算、锁定力矩等控制功能。因采用了压电驱动器，还可免受强磁和放射线的影响。它在精密工程、微型系统工程以及精密定位控制系统中有广阔的应用前景。

　　为了满足日益增长的传动小型化的要求，如果简单地采用缩小传统的直流传动装置尺寸的方法，而不是改变其结构原理，那么为了产生需要的功率，所生产的马达就必须以高速旋转，这种形式的高速小型马达在医药以及精密工程等领域中应用广泛。

　　但是精密定位要求它们必须安装减速器，如此带来了传动回差、低效、尺寸大、制造工艺复杂且造价较高等缺点，而目前还没有高分辨率的小尺寸编码器。

　　虽然压电超声马达的尺寸很小，可以低速输出较大扭矩，但它是利用压电体振动产生行波，依靠摩擦进行传动的，存在着发热以及无法估计的滑动现象，因此要实现精密定位，它也必须使用小型编码器。另外，随着载荷的增大，在施加相同电压的情况下，压电体的振幅会变小，这使驱动变得很困难。因此目前的电磁马达还无法满足结构简单，尺寸小，定位精度高，动力学特性好以及在开环系统中实现定位的要求。结合了压电驱动器、位移放大器、柔轮、刚轮的谐波压电马达技术可以满足以上要求。