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摘要

摩擦非对称式压电驱动器设计与实验研究

压电驱动器由于其响应速度快，定位分辨率高和无电磁干扰等显著优点而被

广泛于多个工业领域，尤其是用于纳米定位系统，例如航空航天、光学工程、超

精密加工、以及生物医学等。然而，压电驱动器在驱动过程中总是会出现一定的

回退现象，这极大的影响了压电驱动器的驱动效果，阻碍了压电驱动器的进一步

发展。因此，对于压电驱动器领域的研究人员来说，如何抑制压电驱动器的回退

现象成为了研究的重点之一。

本文基于麦芒表面存在的摩擦力不对称的现象，设计一种摩擦非对称式压电

驱动装置。以压电叠堆作为驱动源，在U形板内侧设置两组倾斜方向相同的平行

四边形柔性铰链，当两组平行四边形柔性铰链与转子之间产生相对运动时，两组

平行四边形柔性铰链的形变量不同，导致转子两侧接触面之间的摩擦力不同，形

成驱动转子的力矩，最终仅使用一个压电叠堆实现交替步进。

研制了一种摩擦非对称式压电驱动旋转装置，对其整体结构进行设计。基于

有限元分析方法，对平行四边形柔性铰链进行结构优化，得到最优参数结果。构

建了摩擦非对称式压电驱动器的动力学模型，并使用MATLAB/SIMULINK软件

进行仿真分析，仿真结果验证了设计的可行性。

搭建了实验测试系统，并对压电驱动器进行了实验测试分析。驱动器的步进

位移呈阶梯状，当输入电压在30V-100V之间时，驱动器最小步进位移为

-4

1.763μm，最大输出速度为20.583mm/s，输出力矩10Nm。实验结果表明，所

设计的压电驱动器用摩擦非对称原理实现交替步进，且有效抑制回退，既保证了

驱动效率又可以有效的提高驱动速度。

本文针对摩擦非对称式压电驱动器的研究，为压电驱动装置抑制回退领域做

出了一定的贡献，在抑制回退、提高输出速度方面有一定的参考价值。

关键词：

粘滑压电驱动器，摩擦非对称，柔性铰链，抑制回退

Abstract

DesignandExperimentalStudyofFrictionAsymmetric

PiezoelectricActuator

PiezoelectricactuatorsarewidelyusedinNanopositioningsystemsbecauseof

theirremarkableadvantagessuchasfastresponsespeed,highpositioningresolution

andfreedomfromelectromagneticinterference.Sofar,piezoelectricactuatorshave

beenwidelyusedinvariousresearchandindustrialfields,suchasaerospace,optical

engineering,ultra-precisionmachining,andbiomedicine.However,thepiezoelectric

driveralwayshasacertainback-offphenomenonduringthedrivingprocess,which

greatlyaffectsthedrivingeffectofthepiezoelectricdriverandlimitsthefurther

applicationofthepiezoelectricdriver.Therefore,forresearchersinthefieldof

piezoelectricactuators,howtosuppresstheback-offphenomenonofpiezoelectric

actuatorshasbec