精密驱动技术是集成光电子、精密制造、生物工程、航空航天等领域的重要支撑,对于促进多领域技术进步和技术革新具有的重大意义。随着相关基础条件的不断改善,精密驱动技术已经取得了长足进步,然而,相关领域的高速发展对精密驱动提出了越来越高的要求,对一些新兴技术的充分利用成为发展精密驱动技术的重要途径之一。压电直线电机技术作为新兴的精密驱动技术,因其短小轻薄的外形特征和易于集成等突出优势得到了包括德、日、美、以色列等发达国家在内的强烈关注,有力地推动了这些国家经济发展、促进了相关学科的进步和高端技术装备的更新换代。本研究旨在提升压电直线电机在大行程下实现大推力、快速、精确稳定作动的能力,为光通信、光学仪器、生物医学仪器、核聚变等尖端技术领域研发专用压电作动器,从结构创新设计、分析方法,实验表征等方面研究多模式压电直线电机的关键技术,建立结构设计、制造原则和系统控制理论和方法。本项目在对压电作动研究现状进行详细调查的基础上展开,从压电作动系统的基本理论出发,以共振式压电直线电机为切入点,针对大推力、小型化和高稳定度的要求,提出了激励耦合和激励解耦的概念。通过三种新型结构形式的共振式压电直线电机的设计、制作和实验研究发现,虽然共振的引入提高了压电直线电机的能量利用率、降低了关键零部件的精度要求,但其输入输出间的强非线性和时变性给高精度平稳控制带来巨大困难,其中定位抖动等现象的存在使压电直线电机的高位移分辨率难以转化为高定位精度。针对共振式压电直线电机稳定度不高以及定位抖动等问题,提出了非共振作动的概念,探索多工作模式对稳定性和控制精度的作用。利用低电压驱动大位移输出的叠层压电陶瓷作为激励元件,设计、制作了三种非共振式压电直线电机,根据所用两组叠层压电陶瓷位移转换机构的不同可将其分为:正交耦合式、三角转换式和机构放大式;根据工作原理和性能要求建立了设计方法、制定了工艺要求。样机实验表明,该类电机相对共振式作动提高了作动时的频率稳定性,降低了电机连续作动模式下的控制难度;采用准静态作动模式易于实现高分辨率定位,有效消除了共振电机脉冲激励方式实现高分辨率定位的抖动现象。在开环电压输入时,定位分辨率优于10nm;除了上述连续作动模式和准静态模式外,该类电机还可工作在惯性作动模式,与现有常接触应力惯性作动不同,采用交变接触应力能够减小因滑动摩擦引起的损耗。共振式和非共振式压电直线电机区别在压电振子的激励方式和振动状态,而摩擦作动机理相同,都采用了滑动摩擦作为动力;为提高压电直线电机的输出推力,提出了利用静摩擦力作动的两种新型压电直线电机,将所提出的弹簧伺服差动箝位概念用于结构设计中,制作的两种压电直线电机原理样机在较大行程上表现出高的作动稳定性和并可获得较长使用寿命。在上述两类基于叠层压电陶瓷的压电直线电机研究基础上,将两个非共振式压电直线电机的定子进行组合,提出了双足交替驱动的多模式压电直线电机并对其进行了系统的研究。该类多模式压电直线电机不仅继承了非共振压电电机的作动能力,还可在交替工作模式下实现差动箝位,从而使双驱动足交替作动,使电机兼具了大推力、高分辨率、稳定、快速的作动能力。样机实验表明,这类电机输出特性不仅继承了非共振压电直线电机具有的高分辨率、大行程、快响应和高稳定性,而且还兼有所提出两种基于弹簧伺服差动箝位机构压电直线电机的特性,可在较低频率下实现步进运动,有效提升电机输出推力,在精密作动系统的应用中显示了良好的应用前景。