文章导读
超精密领域以其微纳米级定位精度和大工作行程而广受欢迎。基于粘滑工作原理的压电驱动器具有优越的性能特点，在该领域中具有独特的优势。粘滑式压电驱动器（SSPAs）是通过压电元件的伸缩变形以及与驱动对象之间的摩擦接触来实现运动的。相较于其他类型压电驱动器存在的磨损严重、易发热以及信号控制系统复杂等弊端，SSPAs凭借其结构简单、控制简单、精度高等优良特性，得到了广泛的应用。学者们致力于通过创新设计与优化驱动策略，追求更高的机械功率输出，这体现在对纳米尺度的分辨率、mm/s-m/s范围的速度、牛顿级的承载能力及抑制回退的能力等方面的严苛要求上，旨在全面提高SSPAs的性能表现。SSPAs的速度、承载和抑制回退能力对其在实际应用中的表现具有至关重要的影响。
近期，广州大学机械与电气工程学院黄卫清团队在International Journal of Smart and Nano Materials上发表了题为“Progress in high-performance stick-slip piezoelectric actuators: A review”的综述性论文，对粘滑式压电驱动器的前沿进展进行了系统性总结。首先概述了基本工作原理，并详细介绍了常见的驱动波形及其应用情况。其次，探讨了用于提高SSPA性能的各种柔性铰链机构的设计与优化技术，并根据不同的运动形式，把SSPA分为线性、旋转和多自由度三大类，对每种类型均从结构设计和性能特征方面进行了深入分析。此外，还围绕控制方法、摩擦模型分析以及回退运动的抑制这三方面进行论述。最后，提出了目前SSPA所面临的挑战，并对其未来发展进行了展望。
文章要点：
第二节详细介绍了SSPAs的驱动原理和信号。首先从纵向驱动模式和剪切驱动模式这两个方面解释了SSPAs的工作原理，然后介绍了SSPAs常用的锯齿波驱动信号及基于此改进的驱动波形，并分析了它们对SSPAs性能的影响。
第三节深入探讨了SSPAs的结构设计和优化分析。目前，SSPAs结构研究处于深入探索阶段，其核心重点在于结构设计与优化分析上。采用一些创新的设计方案和优化分析方法，对于提高SSPAs的性能和扩大应用范围具有重要意义。值得注意的是，结构研究的重点倾向于柔性机构的设计和优化。
第四节总重点总结了近年来SSPAs的研究现状，根据运动形式将SSPAs分为线性、旋转和多自由度三类，重点从结构设计和驱动策略两个方面分析每种类型的SSPAs提高其输出性能的研究方法。通过详细的研究，对SSPAs的进一步优化和发展提供了有益的参考和启示。
第五节重点讨论了提高SSPAs定位精度的方法，包括控制方法、摩擦模型和回退运动的抑制策略。SSPAs的控制系统可以分为前馈控制、反馈控制和前馈-反馈控制，本文对比分析了它们各自的优缺点。接着，讨论了SSPAs的摩擦模型。SSPAs通过驱动模块与滑块之间的摩擦接触实现粘滑步进运动，因此选择合适的摩擦模型非常重要。在SSPAs的摩擦接触研究中，最常用的模型是LuGre模型。为了抑制回退运动，研究者们探索了多种方法，例如超声减摩、异性摩擦表面、动态控制接触压力和协同驱动等。
第六节对全文进行了总结以及对SSPAs的研究进行了展望，作者认为SSPAs的研究还可以从新兴材料开发、输出性能优化、驱动器稳定性和耐用性提升、系统集成以及行业的标准化和成本优化方面发展，从而促进其进一步发展和应用。
PZT的驱动信号对SSPAs的发展有重要的影响，大多数SSPAs使用传统的周期性锯齿波作为激励信号，即在“粘滞”阶段电压缓慢上升，在“滑动”阶段电压迅速下降，以实现压电元件的伸长和收缩。然而，为了提高驱动器的位移、速度、定位精度等，研究人员研究出了许多改进的波形，如凹形锯齿波、带缓冲的波形、梯形驱动信号、对称波形、复合波形和脉冲激励信号等，以提高驱动器的速度和定位精度，如图1所示。
图1. SSPAs的电压信号：(a)常规锯齿波形；(b)锯齿波形的凹斜率；(c)梯形波形；(d) (i)一系列波形，(ii) (i)中每个波形的测量步长；(e)对称波形；(f)复合驱动波形
在设计过程中，进行结构优化分析是提高执行机构性能的重要途径。通常需要提取关键几何结构参数，然后分析相关参数与柔性机构的驱动位移、结构强度和精度之间的关系。本文将参数优化分析分为理论分析和仿真模拟分析，如图2所示。目前，大部分方法主要涉及尺寸优化、形状优化和拓扑优化，均能有效地提高SSPAs的性能。
图2. 优化分析方法：(a) BMAS寄生位移放大比与铰链厚度的关系；(b)不同输入条件下的等效应力和位移；(c)定子的有限元模态分析；(d)结构尺寸对位移的影响；(e)等效一维模型；(f)驱动机构的设计
根据运动形式将SSPAs分为线性、旋转和多自由度三类，如图3所示。线性SSPAs可以分为恒接触力型和自调节接触力型，并分析了它们的性能特点。对于旋转SSPAs，可以分为谐振型和非谐振型，转速和转矩是评价旋转SSPAs输出性能的主要指标，因此目前的研究是致力于开发各种设计以提供更高的转速和转矩。对于多自由度SSPAs，其可以分为串并联型、串联型、并联型和多维驱动单元型四种类型，与前三种类型相比，多维驱动单元型更好地结合了高刚性和结构简单紧凑的双重优点，在微型化和高精度运动控制方面具有很大的应用潜力。
图3. 根据运动输出形式对SSPAs进行分类
广州大学机械与电气工程学院硕士生林颖淇为本文第一作者，安大伟老师为通讯作者。
课题组简介
黄卫清，博士、教授、博士生导师。毕业于香港科技大学。国家级人才、教育部“新世纪优秀人才支持计划”、广州市杰出专家（A证）；享受国务院政府特殊津贴。研究方向包括压电精密驱动与控制、振动在材料加工中的应用等。主持国家自然科学基金重点项目1项、面上项目4项。获国家技术发明奖二等奖2项、教育部技术发明奖2项、国防科学技术奖2项、日内瓦国际发明博览会金奖1项；发表学术论文160余篇，授权专利10余件。
安大伟，博士、讲师、硕士生导师，毕业于上海交通大学。承担国家自然科学基金青年项目、广东省自然科学基金面上项目、广东省普通高校青年创新人才类项目、广州市科技计划项目等，以核心人员主研国家自然科学基金面上项目、广东省自然科学基金重点项目等。研究方向涉及机械动力学、机械摩擦学、非传统加工等领域，具体包括振动利用、压电作动、超声强化等，在Applied Physics Letters、Review of Scientific Instruments、Mathematics、光学精密工程、压电与声光等期刊发表学术论文10余篇，申请发明专利5件。
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引用：
Lin, Y., An, D., Lin, Z., Chen, X., & Huang, W. (2024). Progress in high-performance stick-slip piezoelectric actuators: a review. International Journal of Smart and Nano Materials, 15(3), 652–696. https://doi.org/10.1080/19475411.2024.2395293
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期刊介绍
International Journal of Smart and Nano Materials
名誉主编：
杜善义 院士，哈尔滨工业大学
Ken P. Chong 教授，华盛顿大学
主编：
冷劲松 院士，哈尔滨工业大学
International Journal of Smart and Nano Materials是哈尔滨工业大学和Taylor & Francis集团合作出版的开放获取英文期刊，拥有由知名学者组成的国际化编委团队。IJSNM 被Science Citation Index数据库收录，2022年影响因子为3.9。
IJSNM主要发表国内外智能材料、智能结构力学与设计、多功能纳米材料等领域的最新研究成果和前沿进展，涵盖智能材料与结构、多功能纳米复合材料、4D打印技术、仿生结构、柔性机器人、传感器、结构健康监测等领域，主要刊登具有创新性的综述论文（Review Articles）、研究论文（Research Articles）和短篇报道（Short Communications）等。
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