壓電驅動的發展應用研究

于文鑫+接勐+孫東

摘要：隨著工業技術的迅猛發展，工程領域對驅動裝置的技術更新有了更新的要求。壓電作為一種新型的電機驅動元件，有著獨特的優勢，不斷被科研工作者研究應用，被應用到實際生產中的各個領域中，以提供高頻、小幅、精確加載的能力。本文闡述壓電驅動的發展狀況，舉例說明壓電驅動在高頻疲勞試驗機中的應用。

關鍵詞：壓電式；疲勞試驗機；高頻

疲勞試驗機，作為一種測試材料力學性能的測試工具，不斷被科研人員應用。在實驗室內，做材料在交變應力作用下發生往復的拉伸變形、壓縮變形或拉、壓交替的變形，形成在未達到屈服應力條件下的破壞失效一疲勞失效。而提供交變應力往復變形的檢測儀器稱為疲勞試驗機。

疲勞試驗機優點是實現高的負載、高頻率、消耗低，從而大大減少了試驗的周期，降低試驗費用，提高試驗效率，成果顯著。疲勞試驗機主要用于測定試件及機構零件的拉伸變形、壓縮變形、扭轉變形、彎曲變形負荷下的試件材料的使用壽命和疲勞特性，觀察其疲勞斷裂后的端口，判定其材料特性、屬性。

科技的不斷進步，試驗效率提高，試驗周期不斷縮短，高頻試驗機不斷被更新研制。而作為高頻試驗機的動力提供單元——驅動單元，不斷更新改進。壓電驅動，利用壓電中振子與系統共振的現象，實現高頻率（200Hz以上）、小振幅的驅動動力裝置。應用于疲勞試驗機中，形成壓電高頻疲勞試驗機微型化、高頻化、高精度化。而壓電疲勞試驗機中作為動力輸出單元，壓電驅動裝置至關重要。

1壓電驅動的國外發展現狀

壓電體，又稱壓電晶體，常用壓電體包括鋯鈦酸鉛壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛鑭壓電陶瓷、鈮鎂鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。壓電體是科學技術發展中相對完善、優秀的功能性材料之一。因其變形精準可達納米級、響應時間小于0.1ms、體積小等特點，廣泛應用到需要高精度加載、高頻率響應的驅動裝備上。

國外對壓電驅動裝置的研究相比中國早些，日本長崗技大研制一種兩個坐標軸——X軸、z軸產生和在u方向產生轉角位移的壓電式微型驅動器，日本生產技術研究所研制了兩種仿人步態直線位移式驅動器，日本的橫土真一等人設計研究一種兩組壓電驅動裝置疊堆在一起，帶動一個錐形閥芯，形成了一個新的結構——二位三通數字閥。德國Karlsruhe大學研制了幾種用于機器人單元的壓電驅動裝置。美國加利福尼亞大學研制了用于微飛行昆蟲振翅電壓驅動裝置。意大利Catania大學研制了三種原型的PLIF。

2壓電驅動的國內發展現狀

我國對于壓電驅動裝置研究起步相對比較晚，隨著科學發展，對于壓電驅動裝置的研究越來越重視。中國科學院長春光學精密機械研究所研制壓電陶瓷微位移驅動裝置應用于精密工作臺當中。天津大學將壓電陶瓷微位移驅動裝置應用于微給進工作當中，清華大學將壓電陶瓷微位移驅動裝置應用于蠕動式x-y-o的工作臺中。哈爾濱大學將壓電裝置應用到一種旋轉型驅動器中。吉林大學將壓電裝置應用到微型馬達中。上海交通大學將壓電驅動裝置應用到管道機器人中。

3疲勞試驗機發展現狀

疲勞試驗機的驅動裝置類型大概分為兩類：一種是以電磁力為驅動力，稱為電磁式；另一種是液壓系統為動力系統，稱為電液伺服式。電液伺服式因其輸出載荷較大，工作平穩，可靠，主要測試大型的構件或者是能承受較大載荷的構件，對其進行疲勞試驗。但由于電液伺服式疲勞試驗機所能提供較低的頻率，使其疲勞試驗時間過長，試驗效率遠遠不能滿足現代科技發展的需求。電磁式疲勞試驗機有著響應速度快、位移動態大等特點。但現有的疲勞試驗機因為其驅動系統裝置的受磁阻和阻抗的影響，及時驅動系統能達到共振現象，但也提供不了高于200Hz的高頻率動力源。

因此，新的驅動裝置被應用到疲勞試驗機中——壓電驅動裝置。形成以壓電晶體為驅動源的高頻率的疲勞試驗機。運用壓電晶體振動，產生系統共振現象，實現疲勞試驗機的高頻率往復運動和振幅位移較小的運動現象，從而實現了對疲勞試驗的高頻率、高效率、實驗周期短等特點。

4總結

通過對國內外的壓電驅動研究現狀的闡述，將壓電驅動裝置分為：結構的組合——疊加型、振子的增加—雙晶片型、形狀的設計——鈸型、虹型和彈珠型。

簡述壓電驅動主要應用的領域如下：

機械行業領域：精密機床的給進，精準度比較高，鎖緊裝置、振蕩器等。

精密器具領域：自動化程度較高的焊接機械手、水下機器人、精密印刷機的驅動機構等。

光學方面領域：在激光測量系統中的調制器、干涉及全息測量、光導纖維的定位。

醫療與生物學領域：生物材料微型操作器、震蕩發聲器、腎結石碎石治療機。

通過壓電驅動發展的研究，舉例說明將其應用到疲勞試驗機上，改進了現有的兩大類驅動系統的模式（電磁式、電液伺服式）。壓電驅動裝置的應用，極大解決了疲勞試驗機的高頻率化、輕量化、高精度化。為疲勞試驗的測試工具的發展和測試手段的提高提供了良好的動力。

我國壓電驅動裝置的研究相對比較落后，科研發展研究與生產實際應用相對脫節，在生產實際中運用壓電驅動裝置領域比較窄，應拓寬應用領域發揮壓電驅動裝置的特色、優勢，使得產、學、研一體化endprint