压电驱动的发展应用研究

2022.09.29

于文鑫+接勐+孙东

摘要：随着工业技术的迅猛发展，工程领域对驱动装置的技术更新有了更新的要求。压电作为一种新型的电机驱动元件，有着独特的优势，不断被科研工作者研究应用，被应用到实际生产中的各个领域中，以提供高频、小幅、精确加载的能力。本文阐述压电驱动的发展状况，举例说明压电驱动在高频疲劳试验机中的应用。

关键词：压电式；疲劳试验机；高频

疲劳试验机，作为一种测试材料力学性能的测试工具，不断被科研人员应用。在实验室内，做材料在交变应力作用下发生往复的拉伸变形、压缩变形或拉、压交替的变形，形成在未达到屈服应力条件下的破坏失效一疲劳失效。而提供交变应力往复变形的检测仪器称为疲劳试验机。

疲劳试验机优点是实现高的负载、高频率、消耗低，从而大大减少了试验的周期，降低试验费用，提高试验效率，成果显著。疲劳试验机主要用于测定试件及机构零件的拉伸变形、压缩变形、扭转变形、弯曲变形负荷下的试件材料的使用寿命和疲劳特性，观察其疲劳断裂后的端口，判定其材料特性、属性。

科技的不断进步，试验效率提高，试验周期不断缩短，高频试验机不断被更新研制。而作为高频试验机的动力提供单元——驱动单元，不断更新改进。压电驱动，利用压电中振子与系统共振的现象，实现高频率（200Hz以上）、小振幅的驱动动力装置。应用于疲劳试验机中，形成压电高频疲劳试验机微型化、高频化、高精度化。而压电疲劳试验機中作为动力输出单元，压电驱动装置至关重要。

1压电驱动的国外发展现状

压电体，又称压电晶体，常用压电体包括锆钛酸铅压电陶瓷、锆钛酸铅镧压电陶瓷、铌镁锆钛酸铅压电陶瓷。压电体是科学技术发展中相对完善、优秀的功能性材料之一。因其变形精准可达纳米级、响应时间小于0.1ms、体积小等特点，广泛应用到需要高精度加载、高频率响应的驱动装备上。

国外对压电驱动装置的研究相比中国早些，日本长岗技大研制一种两个坐标轴——X轴、z轴产生和在u方向产生转角位移的压电式微型驱动器，日本生产技术研究所研制了两种仿人步态直线位移式驱动器，日本的横土真一等人设计研究一种两组压电驱动装置叠堆在一起，带动一个锥形阀芯，形成了一个新的结构——二位三通数字阀。德国Karlsruhe大学研制了几种用于机器人单元的压电驱动装置。美国加利福尼亚大学研制了用于微飞行昆虫振翅电压驱动装置。意大利Catania大学研制了三种原型的PLIF。

2压电驱动的国内发展现状

我国对于压电驱动装置研究起步相对比较晚，随着科学发展，对于压电驱动装置的研究越来越重视。中国科学院长春光学精密机械研究所研制压电陶瓷微位移驱动装置应用于精密工作台当中。天津大学将压电陶瓷微位移驱动装置应用于微给进工作当中，清华大学将压电陶瓷微位移驱动装置应用于蠕动式x-y-o的工作台中。哈尔滨大学将压电装置应用到一种旋转型驱动器中。吉林大学将压电装置应用到微型马达中。上海交通大学将压电驱动装置应用到管道机器人中。

3疲劳试验机发展现状

疲劳试验机的驱动装置类型大概分为两类：一种是以电磁力为驱动力，称为电磁式；另一种是液压系统为动力系统，称为电液伺服式。电液伺服式因其输出载荷较大，工作平稳，可靠，主要测试大型的构件或者是能承受较大载荷的构件，对其进行疲劳试验。但由于电液伺服式疲劳试验机所能提供较低的频率，使其疲劳试验时间过长，试验效率远远不能满足现代科技发展的需求。电磁式疲劳试验机有着响应速度快、位移动态大等特点。但现有的疲劳试验机因为其驱动系统装置的受磁阻和阻抗的影响，及时驱动系统能达到共振现象，但也提供不了高于200Hz的高频率动力源。

因此，新的驱动装置被应用到疲劳试验机中——压电驱动装置。形成以压电晶体为驱动源的高频率的疲劳试验机。运用压电晶体振动，产生系统共振现象，实现疲劳试验机的高频率往复运动和振幅位移较小的运动现象，从而实现了对疲劳试验的高频率、高效率、实验周期短等特点。

4总结

通过对国内外的压电驱动研究现状的阐述，将压电驱动装置分为：结构的组合——叠加型、振子的增加—双晶片型、形状的设计——钹型、虹型和弹珠型。

简述压电驱动主要应用的领域如下：

机械行业领域：精密机床的给进，精准度比较高，锁紧装置、振荡器等。

精密器具领域：自动化程度较高的焊接机械手、水下机器人、精密印刷机的驱动机构等。

光学方面领域：在激光测量系统中的调制器、干涉及全息测量、光导纤维的定位。

医疗与生物学领域：生物材料微型操作器、震荡发声器、肾结石碎石治疗机。

通过压电驱动发展的研究，举例说明将其应用到疲劳试验机上，改进了现有的两大类驱动系统的模式（电磁式、电液伺服式）。压电驱动装置的应用，极大解决了疲劳试验机的高频率化、轻量化、高精度化。为疲劳试验的测试工具的发展和测试手段的提高提供了良好的动力。

我国压电驱动装置的研究相对比较落后，科研发展研究与生产实际应用相对脱节，在生产实际中运用压电驱动装置领域比较窄，应拓宽应用领域发挥压电驱动装置的特色、优势，使得产、学、研一体化