核心提示：　　收穡日期基金項(xiàng)目然科學(xué)基金資助項(xiàng)?！　弘娞沾梢泽w積小、驅(qū)動(dòng)力大、分辨率高的特點(diǎn)，已成功應(yīng)用到各種精密機(jī)械中。　　諧波傳動(dòng)具備運(yùn)動(dòng)精度高、回差小、傳動(dòng)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(xiàng)目然科學(xué)基金資助項(xiàng)。

　　壓電陶瓷以體積小、驅(qū)動(dòng)力大、分辨率高的特點(diǎn)，已成功應(yīng)用到各種精密機(jī)械中。

　　諧波傳動(dòng)具備運(yùn)動(dòng)精度高、回差小、傳動(dòng)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(diǎn)。其傳動(dòng)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(guó)工程師C.W.Mussei發(fā)明了具有機(jī)械波發(fā)生器的諧波齒輪傳動(dòng)。諧波傳動(dòng)目前被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)器人、雷達(dá)系統(tǒng)、機(jī)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(jī)是一種通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)并結(jié)合諧波傳動(dòng)技術(shù)的一種新型步進(jìn)電機(jī)，它將壓電驅(qū)動(dòng)和諧波傳動(dòng)有機(jī)的結(jié)合起來，可實(shí)現(xiàn)低速、高精度驅(qū)動(dòng)，在精密機(jī)械中具有很好的應(yīng)用前景。在國(guó)外，1990年Ishida等人首先利用諧波原理開發(fā)出壓電馬達(dá)，隨后在英國(guó)伯明翰大學(xué)TimKing、WeiXu和在德國(guó)的OliverBarth也進(jìn)行了對(duì)諧波壓電馬達(dá)的研究和設(shè)計(jì)，他們僅制作出了較為粗糙的原理樣機(jī)，性能較差，還不能應(yīng)用到實(shí)際中，目前一直停留在實(shí)驗(yàn)階段。為了使其能夠具有優(yōu)良的性能并在實(shí)踐中得以應(yīng)用，還需在設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)方案、機(jī)械機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)方面進(jìn)行深入研究。

　　2壓電諧波電機(jī)的工作原理諧波齒輪傳動(dòng)裝置通常被作為減速器來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的功能。高速電機(jī)通過輸入軸帶動(dòng)波發(fā)生器做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)速度轉(zhuǎn)換，固定柔輪或剛輪中的一個(gè)構(gòu)件，另一構(gòu)件則會(huì)以低速旋轉(zhuǎn)。根據(jù)諧波傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)元件的周期位移輸出驅(qū)動(dòng)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(dòng)起到了把不同的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的作用，具有原動(dòng)機(jī)的性質(zhì)，因而被稱為諧波馬達(dá)“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(jì)由壓電陶瓷作為受控驅(qū)動(dòng)部件組成一種新型的諧波傳動(dòng)波發(fā)生器，通過控制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的伸縮變形，驅(qū)動(dòng)柔輪按一定規(guī)律進(jìn)行變形，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)柔輪或剛輪低速的旋轉(zhuǎn)，由此設(shè)計(jì)的裝置便稱為壓電諧波電機(jī)。

　　3壓電諧波電機(jī)的設(shè)計(jì)3.1壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器壓電驅(qū)動(dòng)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(shí)用性。如果把10個(gè)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(huì)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(diǎn)，這就是層疊型壓電驅(qū)動(dòng)器?，F(xiàn)在已能制造出0. 05mm的壓電晶體薄片。層疊型壓電驅(qū)動(dòng)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(chǎng)控制相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)以電子工業(yè)部二十六所制作的WTYD080810型壓電驅(qū)動(dòng)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(dòng)位移還是不能滿足驅(qū)動(dòng)柔輪變形的要求，所以必須設(shè)計(jì)其相應(yīng)的位移放大機(jī)構(gòu)。位移放大機(jī)構(gòu)一般可利用杠桿機(jī)構(gòu)、三角幾何放大及壓曲放大等放大原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，為避免間隙和摩擦，保證機(jī)構(gòu)的精密性，常采用柔性較鏈代替普通較鏈進(jìn)行連接。采用放大機(jī)構(gòu)，會(huì)隨著位移的放大，驅(qū)動(dòng)力也隨之降低。同時(shí)因?yàn)槿嵝暂^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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是影響驅(qū)動(dòng)性能的關(guān)鍵，應(yīng)對(duì)其各部分尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以得到最佳的放大效果。

　　3.3結(jié)構(gòu)型式選擇諧波傳動(dòng)裝置按波發(fā)生器相對(duì)于柔輪的配置可2微位移放大機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.4傳動(dòng)型式選擇bookmark6◎雖采疊式壓電§器°可得到相對(duì)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(dòng)型式，所以，壓電諧波電機(jī)也可按此兩種型式進(jìn)行設(shè)計(jì)。其配置原理圖如、2所示。內(nèi)波式諧波電機(jī)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(dòng)器的大小，能使用的壓電驅(qū)動(dòng)器所提供的有效位移很小。外波式諧波電機(jī)尺寸較大，可選擇較大尺寸的壓電驅(qū)動(dòng)器，從而得到更為理想的驅(qū)動(dòng)位移，但同時(shí)又會(huì)使電機(jī)的尺寸加大。本設(shè)計(jì)為內(nèi)波式壓電諧波電機(jī)。

　　摩檫式諧波傳動(dòng)，工藝較簡(jiǎn)單，柔輪和剛輪表面為耐磨材料組成，不需特別進(jìn)行加工。對(duì)柔輪的變形量也沒有特別的要求，所以更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)柔輪的驅(qū)動(dòng)。但由于它主要靠摩檫來傳遞運(yùn)動(dòng)，所以磨損較為嚴(yán)重，承載能力、傳動(dòng)效率和傳動(dòng)精度較低。

　　3.4.2齒嚙式齒嚙式諧波傳動(dòng)，是在柔輪外表面和剛輪內(nèi)表面上（對(duì)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(duì)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(dòng)，所以磨損較小，承載能力、傳動(dòng)效率和精度都很高。但對(duì)柔輪變形量、柔輪半徑等參數(shù)的要求很嚴(yán)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(dòng)（Z柔輪-Z剛輪=2）進(jìn)行設(shè)計(jì)，模數(shù)m=0.3mm時(shí)，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(dá)到同樣數(shù)值2倍的位移量。本設(shè)計(jì)采用齒嚙式壓電諧波電機(jī)。

　　3.5柔輪變形波數(shù)及變形規(guī)律選擇對(duì)于齒嚙式雙波傳動(dòng)，其齒數(shù)差為2，所以壓電驅(qū)動(dòng)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(duì)稱性組數(shù)要為偶數(shù)組（6、8、10等）。

　　對(duì)于三波傳動(dòng)，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(dòng)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(dòng)具有嚙合深度大、自動(dòng)定心性好等優(yōu)點(diǎn)，但是由于柔輪中的應(yīng)力較大，所以應(yīng)用相對(duì)較少。因此，壓電諧波電機(jī)的柔輪變形波數(shù)采用了實(shí)際中應(yīng)用最多、綜合性能較好的雙波，其變形型式采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓變形型式。橢圓極坐標(biāo)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(jì)實(shí)例為采用齒嚙式內(nèi)波型雙波諧波傳動(dòng)的壓電諧波電機(jī)的一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。其壓電波發(fā)生器由8組壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器及相應(yīng)的柔性鉸鏈位移放大機(jī)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(dòng)位移，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)對(duì)稱的柔性鉸鏈一體化的三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)，第一級(jí)采用三角放大機(jī)構(gòu)，第二級(jí)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jí)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(jì)壓電諧波電機(jī)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)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(shí)（相當(dāng)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(dòng)比、模數(shù)、變位系數(shù)、徑向變形量系數(shù)等）將會(huì)不同。驅(qū)動(dòng)壓電諧波電機(jī)，只需按時(shí)序控制各組壓電驅(qū)動(dòng)器的變形量，使位移放大機(jī)構(gòu)與柔輪接觸的各離散點(diǎn)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?yàn)槭请p波諧波傳動(dòng)，所以關(guān)于直徑對(duì)稱的兩組壓電驅(qū)動(dòng)器變形狀況完全一致，可作為一相進(jìn)行控制，由此可將8組壓電驅(qū)動(dòng)器分成A、B、C、D四相。

　　為杠桿放大機(jī)構(gòu)5第三級(jí)為壓曲放大機(jī)構(gòu)，通過對(duì)機(jī)進(jìn)行調(diào)換向、數(shù)計(jì)算鎖定力矩等控制。net在設(shè)計(jì)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(diǎn)的徑向位移數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到單片機(jī)中，由單片機(jī)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(dòng)電壓（V1，V2，V3）來驅(qū)動(dòng)各組壓電驅(qū)動(dòng)器，可按所示相序?qū)、B、C、D各相進(jìn)行控制，得到的壓電波發(fā)生器的變形圖如所示。通過對(duì)控制器的編程可容易地對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)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(dòng)質(zhì)量，實(shí)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(jī)是一種基于諧波傳動(dòng)原理的新型低速電機(jī)，具有低速輸出、功率密度大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、定位精度高、效率高、噪音低等特點(diǎn)。通過控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)調(diào)速、換向、步數(shù)計(jì)算、鎖定力矩等控制功能。因采用了壓電驅(qū)動(dòng)器，還可免受強(qiáng)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(zhǎng)的傳動(dòng)小型化的要求，如果簡(jiǎn)單地采用縮小傳統(tǒng)的直流傳動(dòng)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(dá)就必須以高速旋轉(zhuǎn)，這種形式的高速小型馬達(dá)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(dòng)回差、低效、尺寸大、制造工藝復(fù)雜且造價(jià)較高等缺點(diǎn)，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(dá)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(dòng)產(chǎn)生行波，依靠摩擦進(jìn)行傳動(dòng)的，存在著發(fā)熱以及無法估計(jì)的滑動(dòng)現(xiàn)象，因此要實(shí)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(huì)變小，這使驅(qū)動(dòng)變得很困難。因此目前的電磁馬達(dá)還無法滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，定位精度高，動(dòng)力學(xué)特性好以及在開環(huán)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)定位的要求。結(jié)合了壓電驅(qū)動(dòng)器、位移放大器、柔輪、剛輪的諧波壓電馬達(dá)技術(shù)可以滿足以上要求。