电机设备总体结构及其运行概述

　　近年来，随着微/纳米技术的迅猛发展，对驱动精度的要求在纳米级的水平。在光学
工程、微电子制造、航空航天、超精密机械制造、微机器人操作、地震测量、生物、医学及遗传
工程等技术领域的研究都迫切需要亚微米级、微/纳米级的超精密驱动，因此，各种微特
电机得到了快速的发展。其中由于压电精密驱动电机具有高的驱动特性，在国内外得到了
较为广泛的研究。
　　压电材料在驱动时具有纳米级的稳定输出位移精度，并且压电驱动线性好、控制方便、
分辨率高、频率响应好、不发热、无磁干扰、无噪声等，同时，压电驱动电机能实现体积小、
重量轻、大功率密度的特点。因此采用压电驱动能较好的实现超精密驱动的性能。
　　采用定子内侧箝位结构实现步进旋转运动是一种新的尝试，采用 4 片无间隙薄壁柔
性铰链结构精确地将压电陶瓷的直线运动转化为旋转运动，在箝位和驱动的作用下实现

“

”

高精度步进旋转运动，该运动是一种 箝位步进箝位 方式的仿生型运动，该结构对进一
步了解和研究压电精密旋转驱动电机提供了一种新的方法和借鉴。
　　1 总体结构及其工作原理内箝位压电精密步进旋转驱动电机的总体结构，主要有定
子箝位体、转子、驱动压电陶瓷连接体、箝位压电陶瓷和驱动压电陶瓷组成。定子箝位体结
构分上下两部分，即上箝位块和下箝位块，上箝位块和转子上的上转子体接触，而下箝
位块和转子上的下转子体接触。转子体通过 4 片均匀分布的薄壁柔性铰链把上、下转子体
连接为一体。
　　驱动压电陶瓷 8 安装在驱动压电陶瓷连接体 9 上，连接体的一侧和上转子体接触，
另一侧和下转子体接触，连接体上加工有可伸缩变形的柔性铰链。该驱动电机的结构及运
动原理如下：①初始状态时 2、8 压电陶瓷处于自由状态，下箝位压电陶瓷（图中未显示，
与 5 连接）通电箝位，使 5 和 11 箝位到一起固定不动；②驱动压电陶瓷 8 通电伸长，由
于下转子体不动，所以在连接体 9 的柔性铰链变形下推动上转子体 10 顺时针旋转一个角
度 θ；③上箝位压电陶瓷 2 通电箝位，上箝位体 3 与上转子体 10 箝位固定；④下箝位压
电陶瓷由箝位变为松开，11 与 5 分开；⑤驱动压电陶瓷 8 断电松开，下转子体 11 在铰链
回弹力的作用下沿顺时针转角度 θ，然后下箝位压电陶瓷重新开始箝位。这样完成了一个
步进旋转动作循环，机构沿顺时针方向转动了一步。连续重复上述步骤，则精密驱动电机
可实现顺时针连续步进旋转。同理可以实现机构的逆时针旋转。
　　2 运动过程及分析 2.1 箝位运动及其分析内箝位型压电精密步进旋转驱动电机的定子
箝位体结构如所示。上下箝位块均设计有双侧双向薄壁柔性铰链，既减小了箝位时上、下
箝位块上箝位块柔性铰链下箝位块
　　对箝位效果的干扰（即上箝位时可能导致下箝位体与下转子压紧），又保证了箝位
时柔性铰链只沿压电陶瓷伸长的方向变形，而不产生其它方向的变形而导致对转子产生
附加转矩。另外，箝位时上、下箝位体要保证分别只与上、下转子体接触，而不和其它部分
接触。在实际工作中，由于定子箝位体和转子之间是接触的，没有间隙，或者说间隙很小，
因此柔性铰链几乎不产生很大的变形，而仅仅是箝位力的传递。
　　在步进驱动中，箝位过程是影响步进运动效果关键因素，箝位性能参数主要包括箝
位力参数 F，箝位响应频率参数 f 1 和箝位稳定性参数 S 1。大的箝位力可使箝位牢靠；高
的箝位响应频率可以箝位灵敏，可以实现高频高速步进运动；箝位稳定性 S 1 是指箝位
过程对步进运动的影响程度，即不会因箝位冲击而产生附加转矩，从而提高步进重复性
精度，可以用箝位误差来表示。
　　对该箝位系统的静力学和动力学分析中可作如下假定：假设单侧箝位块质量为 M，
中间受一恒力 F f（压电陶瓷伸长产生）作用，由材料力学知识可以推出：在 F f 的作用