核心提示：　　收穡日期基金項目然科學(xué)基金資助項。　　壓電陶瓷以體積小、驅(qū)動力大、分辨率高的特點，已成功應(yīng)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(zhì)量輕、體積小、承載能力大、并能在密閉空

　　收穡日期基金項目然科學(xué)基金資助項。

　　壓電陶瓷以體積小、驅(qū)動力大、分辨率高的特點，已成功應(yīng)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(zhì)量輕、體積小、承載能力大、并能在密閉空間和介質(zhì)輻射的工況下正常工作等優(yōu)點。其傳動原理是辦聯(lián)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(fā)明了具有機械波發(fā)生器的諧波齒輪傳動。諧波傳動目前被廣泛應(yīng)用于航空航天、機器人、雷達系統(tǒng)、機床、儀器儀表、光學(xué)儀器以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

　　壓電諧波電機是一種通過壓電陶瓷驅(qū)動并結(jié)合諧波傳動技術(shù)的一種新型步進電機，它將壓電驅(qū)動和諧波傳動有機的結(jié)合起來，可實現(xiàn)低速、高精度驅(qū)動，在精密機械中具有很好的應(yīng)用前景。在國外，1990年Ishida等人首先利用諧波原理開發(fā)出壓電馬達，隨后在英國伯明翰大學(xué)TimKing、WeiXu和在德國的OliverBarth也進行了對諧波壓電馬達的研究和設(shè)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(yīng)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(yōu)良的性能并在實踐中得以應(yīng)用，還需在設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)方案、機械機構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)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(xiàn)傳動的功能。高速電機通過輸入軸帶動波發(fā)生器做旋轉(zhuǎn)運動，使柔輪產(chǎn)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(xiàn)速度轉(zhuǎn)換，固定柔輪或剛輪中的一個構(gòu)件，另一構(gòu)件則會以低速旋轉(zhuǎn)。根據(jù)諧波傳動原理，無論波發(fā)生器部件旋轉(zhuǎn)與否，只要能使柔輪按一定規(guī)律產(chǎn)生周期性的連續(xù)的或脈動式的彈性變形，便可獲得低速的輸出。由此出現(xiàn)了多種不通過波發(fā)生器的旋轉(zhuǎn)輸入，而利用固定的不同驅(qū)動元件的周期位移輸出驅(qū)動柔輪變形的波發(fā)生器，如液壓式波發(fā)生器、氣壓式波發(fā)生器和電磁波發(fā)生器等。這樣就使諧波傳動起到了把不同的能量轉(zhuǎn)換為機械能的作用，具有原動機的性質(zhì)，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(yīng)，因此，可設(shè)計由壓電陶瓷作為受控驅(qū)動部件組成一種新型的諧波傳動波發(fā)生器，通過控制壓電陶瓷驅(qū)動器的伸縮變形，驅(qū)動柔輪按一定規(guī)律進行變形，進而實現(xiàn)柔輪或剛輪低速的旋轉(zhuǎn)，由此設(shè)計的裝置便稱為壓電諧波電機。

　　3壓電諧波電機的設(shè)計3.1壓電陶瓷驅(qū)動器壓電驅(qū)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(jié)），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(yōu)點，這就是層疊型壓電驅(qū)動器。現(xiàn)在已能制造出0. 05mm的壓電晶體薄片。層疊型壓電驅(qū)動器不僅變形量大，且承載力大，響應(yīng)快，位移可重復(fù)性好，體積效率高，電場控制相對簡單等優(yōu)點以電子工業(yè)部二十六所制作的WTYD080810型壓電驅(qū)動器為067N，最大位移10Lm，回零位移再現(xiàn)性0.10Lm.變形量，但其驅(qū)動位移還是不能滿足驅(qū)動柔輪變形的要求，所以必須設(shè)計其相應(yīng)的位移放大機構(gòu)。位移放大機構(gòu)一般可利用杠桿機構(gòu)、三角幾何放大及壓曲放大等放大原理進行設(shè)計，為避免間隙和摩擦，保證機構(gòu)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(gòu)，會隨著位移的放大，驅(qū)動力也隨之降低。同時因為柔性較鏈的彈性變形產(chǎn)生反力并存在位移損失，而影響放大效果。所以放大機構(gòu)的設(shè)計是影響驅(qū)動性能的關(guān)鍵，應(yīng)對其各部分尺寸進行優(yōu)化設(shè)計，以得到最佳的放大效果。

　　3.3結(jié)構(gòu)型式選擇諧波傳動裝置按波發(fā)生器相對于柔輪的配置可2微位移放大機構(gòu)的設(shè)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(nèi)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(shè)計。其配置原理圖如、2所示。內(nèi)波式諧波電機由于能有效利用柔輪內(nèi)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(qū)動器的大小，能使用的壓電驅(qū)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(qū)動器，從而得到更為理想的驅(qū)動位移，但同時又會使電機的尺寸加大。本設(shè)計為內(nèi)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(xiàn)對柔輪的驅(qū)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(nèi)表面上（對于外波形式則分別為內(nèi)表面和外表面）制造了相同模數(shù)的齒，所以工藝相對復(fù)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(shù)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(shù)差的1/2（Z柔輪-Z剛輪/2）乘以模數(shù)m.如果選擇雙波二齒差諧波傳動（Z柔輪-Z剛輪=2）進行設(shè)計，模數(shù)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(jīng)位移放大后能達到同樣數(shù)值2倍的位移量。本設(shè)計采用齒嚙式壓電諧波電機。

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

　　對于三波傳動，其齒數(shù)差為3，所以沿圓周方向呈均勻分布的壓電驅(qū)動器的數(shù)目必須要在6組以上，并且要為3的倍數(shù)（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(yōu)點，但是由于柔輪中的應(yīng)力較大，所以應(yīng)用相對較少。因此，壓電諧波電機的柔輪變形波數(shù)采用了實際中應(yīng)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(nèi)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(shè)計實例為采用齒嚙式內(nèi)波型雙波諧波傳動的壓電諧波電機的一種結(jié)構(gòu)簡圖。其壓電波發(fā)生器由8組壓電陶瓷驅(qū)動器及相應(yīng)的柔性鉸鏈位移放大機構(gòu)組合而成，沿圓周方向均勻分布。為了得到足夠的驅(qū)動位移，設(shè)計了結(jié)構(gòu)對稱的柔性鉸鏈一體化的三級位移放大機構(gòu)，第一級采用三角放大機構(gòu)，第二級尺寸進行優(yōu)化設(shè)計得到了較為理想的放大效果。為了增加壓電波發(fā)生器與柔輪的接觸面積，在最后一級采用壓曲構(gòu)件，可有助于保持柔輪變形形狀和改5控制系統(tǒng)設(shè)計壓電諧波電機的設(shè)計重點是根據(jù)設(shè)計要求設(shè)計壓電式諧波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及其控制電路。由于壓電波發(fā)生器的形狀是由控制電路控制，因此，同一壓電波發(fā)生器可適用不同的波發(fā)生器形狀，只是在應(yīng)用不同的波發(fā)生器形狀時（相當于選擇不同的波發(fā)生器類型），它適用的柔輪（內(nèi)徑不變）、剛輪的嚙合參數(shù)（齒數(shù)/傳動比、模數(shù)、變位系數(shù)、徑向變形量系數(shù)等）將會不同。驅(qū)動壓電諧波電機，只需按時序控制各組壓電驅(qū)動器的變形量，使位移放大機構(gòu)與柔輪接觸的各離散點的變形量滿足柔輪變形規(guī)律。確保柔輪與剛輪輪齒區(qū)不用嚙合。

　　以為例，因為是雙波諧波傳動，所以關(guān)于直徑對稱的兩組壓電驅(qū)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(qū)動器分成A、B、C、D四相。

　　為杠桿放大機構(gòu)5第三級為壓曲放大機構(gòu)，通過對機進行調(diào)換向、數(shù)計算鎖定力矩等控制。net在設(shè)計的控制系統(tǒng)中，首先根據(jù)選定型式的波發(fā)生器作用下柔輪的變形形狀數(shù)據(jù)，將壓電波發(fā)生器與柔輪接觸的各離散點的徑向位移數(shù)據(jù)存儲到單片機中，由單片機將數(shù)據(jù)送至D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬量，然后由經(jīng)功率放大后的驅(qū)動電壓（V1，V2，V3）來驅(qū)動各組壓電驅(qū)動器，可按所示相序?qū)、B、C、D各相進行控制，得到的壓電波發(fā)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(qū)動器驅(qū)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(zhì)量，實際開發(fā)中采用了二力與四力作用型相合控制。

　　6結(jié)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(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、轉(zhuǎn)動慣量小、定位精度高、效率高、噪音低等特點。通過控制系統(tǒng)可實現(xiàn)調(diào)速、換向、步數(shù)計算、鎖定力矩等控制功能。因采用了壓電驅(qū)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(tǒng)工程以及精密定位控制系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)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(tǒng)的直流傳動裝置尺寸的方法，而不是改變其結(jié)構(gòu)原理，那么為了產(chǎn)生需要的功率，所生產(chǎn)的馬達就必須以高速旋轉(zhuǎn)，這種形式的高速小型馬達在醫(yī)藥以及精密工程等領(lǐng)域中應(yīng)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(fù)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(chǎn)生行波，依靠摩擦進行傳動的，存在著發(fā)熱以及無法估計的滑動現(xiàn)象，因此要實現(xiàn)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(qū)動變得很困難。因此目前的電磁馬達還無法滿足結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，定位精度高，動力學(xué)特性好以及在開環(huán)系統(tǒng)中實現(xiàn)定位的要求。結(jié)合了壓電驅(qū)動器、位移放大器、柔輪、剛輪的諧波壓電馬達技術(shù)可以滿足以上要求。