直線超聲波電動(dòng)機(jī)在精密平臺(tái)中應(yīng)用的現(xiàn)狀

孫向磊，郭麗娜，呂宏偉

(航天動(dòng)力技術(shù)研究院 西安航天化學(xué)動(dòng)力廠，西安 710025)

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直線超聲波電動(dòng)機(jī)在精密平臺(tái)中應(yīng)用的現(xiàn)狀

孫向磊，郭麗娜，呂宏偉

(航天動(dòng)力技術(shù)研究院 西安航天化學(xué)動(dòng)力廠，西安 710025)

尖端工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域需要精密平臺(tái)為其提供技術(shù)支持。對(duì)各國(guó)的先進(jìn)直線超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密平臺(tái)的原理、性能和應(yīng)用作了初步介紹，并與上海大學(xué)研制的短、小、薄超聲波電動(dòng)機(jī)精密平臺(tái)作對(duì)比。通過分析它們的特點(diǎn)，為我國(guó)的直線超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制精密平臺(tái)的開發(fā)研究提供建議和參考。

精密平臺(tái)；直線超聲波電動(dòng)機(jī)；定位精度

0 引 言

近些年，納米級(jí)操作技術(shù)已成人類進(jìn)入微觀世界的關(guān)鍵技術(shù)，成為各國(guó)科學(xué)研究工作中急需解決的重要組成部分。超耐久性、高精度、遠(yuǎn)行走距離的超精密工作臺(tái)系統(tǒng)在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)占有極為重要的地位。在細(xì)微裝配、微型設(shè)備、大規(guī)模集成電路板生產(chǎn)加工、精密儀器測(cè)量加工、細(xì)胞領(lǐng)域精密操縱等研究項(xiàng)目中,精確的定位和特別精細(xì)的操作是迫切需要的,由此可見超精密定位工作臺(tái)為這些研究領(lǐng)域提供必需的技術(shù)支持。工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)加速度及起動(dòng)和停止過程中達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所耗時(shí)間又影響了工作效率, 成為工作臺(tái)系統(tǒng)的參考指標(biāo)。另外,精密平臺(tái)的載重、振動(dòng)、控制等技術(shù)指標(biāo)參數(shù)決定了我國(guó)在高技術(shù)領(lǐng)域研究水平的參考標(biāo)志。最早的精密定位平臺(tái)是由直線導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠，由于滾珠絲杠的回程間隙和步進(jìn)角的限制，其定位精度并不高[1-4]。

1 超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

自上世紀(jì)80 年代后，出現(xiàn)了一種新型的微電機(jī)——超聲波電動(dòng)機(jī)，它和普通電機(jī)不同，普通電機(jī)需要電機(jī)定子和動(dòng)子繞組和磁運(yùn)行回路，而超聲波電動(dòng)機(jī)不需要。超聲波電動(dòng)機(jī)而是利用壓電陶瓷制作的壓電元件的逆壓電效應(yīng)把具有彈性變形能力的微小形變，通過放大機(jī)制和兩種或幾種物體的摩擦耦合組合成為物體的宏觀運(yùn)動(dòng)。超聲波電動(dòng)機(jī)和以前的電磁電機(jī)相比，更適合作為精密平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)不產(chǎn)生磁場(chǎng)、不受磁場(chǎng)影響；(2)低速大力矩和無噪聲；(3)響應(yīng)快和斷電自鎖；(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，扭矩/重量比大，并且電機(jī)的形狀可以多樣化[5]。

直線超聲波電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)可通過電機(jī)頂部的摩擦頭直接驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，而不必再采用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而減小了不必要的誤差，并且平臺(tái)可以設(shè)計(jì)成一級(jí)進(jìn)給的機(jī)構(gòu)，可同時(shí)滿足大行程、高精度、高響應(yīng)度。

2 國(guó)內(nèi)外開發(fā)的精密平臺(tái)

作為精密平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的超聲波電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)形式和模態(tài)是多種多樣的，國(guó)外已開發(fā)出多種，大致可分為共振式和非共振式，共振式又可以分為多模態(tài)和單一模態(tài)。

2.1 共振式單一模態(tài)

2.1.1 單點(diǎn)接觸駐波式

如圖1所示，通過超聲波把振子激勵(lì)成一種單純的駐波運(yùn)動(dòng)模式。在振子部位按照一定的間隔和配比方式加工出一定數(shù)量的齒，由于振子齒相對(duì)于駐波波峰的相對(duì)位置的不同，從而形成左斜方向或右斜方向的碰撞，宏觀運(yùn)動(dòng)結(jié)果就是推動(dòng)動(dòng)子沿單向直線行進(jìn)。圖2是駐波型直線超聲波電動(dòng)機(jī)的工作原理。如果導(dǎo)軌不動(dòng)，讓振子做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，圖2(a)，圖2(b)示出了振子運(yùn)動(dòng)的兩種工作模態(tài)(由軟件分析得出)。在圖2(a)中，振子齒的位置是在波腹運(yùn)動(dòng)的左側(cè)，振子齒端位移見圖，上方振子齒相對(duì)于導(dǎo)軌施加左斜向上的碰撞和摩擦力,下方振子齒相對(duì)于導(dǎo)軌施加左斜和向下的碰撞和摩擦力，導(dǎo)軌和振子通過預(yù)壓力緊貼在一起，導(dǎo)軌向振子施加反作用力，推動(dòng)振子向右運(yùn)動(dòng)；同樣，在圖2(b)中，振子齒相對(duì)于駐波波腹的位置是右側(cè)，從而振子向左運(yùn)動(dòng)。該設(shè)備的關(guān)鍵是根據(jù)運(yùn)動(dòng)模態(tài)設(shè)定齒的相對(duì)位置,同時(shí)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)模態(tài)中一個(gè)波峰(或者是波谷)的左面，同時(shí)在另外一個(gè)運(yùn)動(dòng)模態(tài)同一個(gè)波峰(或者是波谷)的右面。該研究的是直梁式直線超聲波電動(dòng)機(jī)，它的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)和后退運(yùn)動(dòng)分別在兩個(gè)不同的模態(tài)下工作，此種結(jié)構(gòu)必須要求運(yùn)動(dòng)換向時(shí)改變激振頻率以激發(fā)出不同階次的振動(dòng)模式和振型[6]。

圖1 共振式單一模態(tài)精密平臺(tái)

(a)振動(dòng)模態(tài)(5.0)(b)振動(dòng)模態(tài)(6.0)

圖2 駐波式直線電動(dòng)機(jī)工作原理

圖3是新加坡南洋技術(shù)大學(xué)研制的一種精密平臺(tái)，電機(jī)是一種振子作為動(dòng)子的直線超聲波電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)具有簡(jiǎn)單緊湊的特點(diǎn)。行程為220 mm，行程主要取決于直線導(dǎo)軌的長(zhǎng)度，無負(fù)載時(shí)的速度可達(dá)80 mm/s，負(fù)載300 g的速度可達(dá)23 mm/s，自鎖力6.9 N，起動(dòng)力4.9 N,分辨率小于50 nm，起動(dòng)時(shí)間為12 ms[7]。

圖3 精密平臺(tái)工作圖

國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)也開展了類似的駐波模態(tài)直線超聲波電動(dòng)機(jī)研究。同樣是利用設(shè)定振子的B3，B4階不同彎曲模態(tài)，實(shí)現(xiàn)正向和反向行進(jìn)，該結(jié)構(gòu)的超聲波電動(dòng)機(jī)國(guó)內(nèi)外都有類似研究[8]。

2.1.2 多點(diǎn)接觸駐波式

德國(guó)Pi公司2006年設(shè)計(jì)出了如圖4所示的多點(diǎn)接觸駐波式直線型超聲波電動(dòng)機(jī)。該直線電動(dòng)機(jī)的定子是一塊壓電陶瓷板，兩個(gè)滑塊通過彈簧壓在定子上，動(dòng)子可以沿著定子的溝槽做直線運(yùn)動(dòng)。在壓電陶瓷板上沿著厚度方向覆蓋電極，上面覆蓋兩個(gè)電極，下面覆蓋一個(gè)電極，通過激發(fā)壓電陶瓷的E(3，1)振動(dòng)模態(tài)，使定子的溝槽產(chǎn)生變形，在動(dòng)子與定子接觸的各個(gè)點(diǎn)的合力下，動(dòng)子沿著溝槽做直線運(yùn)動(dòng)，通過切換上面覆蓋的兩個(gè)電極來改變動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向。該電機(jī)的尺寸為9 mm×4 mm×1.5 mm，行程3.2 mm，開環(huán)最大運(yùn)行速度100 mm/s，閉環(huán)速度也可以達(dá)到幾厘米每秒；可承受負(fù)載0.6g，驅(qū)動(dòng)電壓為2.8～3.2 V[9]。

圖4 Pi公司直線電機(jī)原理圖

2.2 共振式雙模態(tài)

2.2.1 雙縱向駐波式

圖 5是國(guó)立高雄應(yīng)用科技大學(xué)研究開發(fā)的一種雙縱向駐波式直線超聲波電動(dòng)機(jī)。圖中所示電機(jī)是由一個(gè)橢圓形的金屬?gòu)椥詸E圓體、兩邊是積層型的壓電致動(dòng)器和底座組成。通過正弦波電壓激勵(lì)壓電致動(dòng)器，使其能夠產(chǎn)生周期性的微小形變，進(jìn)而使橢圓形金屬?gòu)椥泽w產(chǎn)生相應(yīng)變形，并且能夠讓彈性體上的定子在其作用點(diǎn)上形成橢圓形的運(yùn)動(dòng)。通過定子上產(chǎn)生足夠大小的橢圓形的運(yùn)動(dòng)形變，就可以施加正向力，把定子上的橢圓形形變轉(zhuǎn)換成為滑臺(tái)上的宏觀直線運(yùn)動(dòng)[10]。此超聲波電動(dòng)機(jī)是利用兩個(gè)具有相位差的電壓去激發(fā)兩個(gè)壓電材料的縱向振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)圓環(huán)結(jié)構(gòu)上的作用點(diǎn)產(chǎn)生切向與法向的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)[11]。圖6是橢圓形定子超聲波電動(dòng)機(jī)的工作圖。

圖5 橢圓形定子原理圖圖6 工作圖

2.2.2 縱扭雙模態(tài)

以色列Nanomotion公司所制造的雙模態(tài)超聲波電動(dòng)機(jī)是目前商業(yè)化的駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)之一。如圖7所示，經(jīng)由通常設(shè)計(jì)電壓定子之長(zhǎng)寬比，將可使壓電塊僅利用單一頻率的弦波電壓同時(shí)激發(fā)第一個(gè)縱向模態(tài)(L1)和第二個(gè)彎曲模態(tài)(B2)。當(dāng)在左上角及右下角電極加上一弦波電壓，而其頻率接近B2與L1的共振頻率時(shí)，則壓電塊的頂端將會(huì)有近似圓形或橢圓形的軌跡出現(xiàn)，利用此軌跡并經(jīng)由摩擦頭通過摩擦接觸面將有效地使平臺(tái)產(chǎn)生平移。而在右上角及左下角電極加上弦波電壓將可得到反向運(yùn)動(dòng)[12]。

圖7是 Nanomotion 公司生產(chǎn)的單驅(qū)動(dòng)頭駐波型壓電直線電動(dòng)機(jī)原理圖。參數(shù)如下：工作臺(tái)尺寸380 mm×380 mm×225 mm；最大速度(無負(fù)載)250 mm/s；加速度0～0.1g；步進(jìn)時(shí)間小于270 ms；最大輸出推力3.5～4.5 N；剛度0.8～1 N/μm；分辨率優(yōu)于100 nm(視應(yīng)用情況)；名義預(yù)緊力18 N。

圖7 駐波型壓電直線電動(dòng)機(jī)

可以通過增加電機(jī)的驅(qū)動(dòng)頭數(shù)來提高電機(jī)的輸出推力和剛度[13]。

2.3 非共振雙模態(tài)

日本的Shinji Takada, Hiroyuki Hashiguchi等人研究開發(fā)了一種雙模態(tài)非共振的壓電驅(qū)動(dòng)器，如圖8所示[15]。這種電機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率因?yàn)椴皇枪ぷ髟趬弘娞沾傻墓舱駞^(qū)域，所以該超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。該電機(jī)是利用彎曲模態(tài)和伸縮模態(tài)兩種運(yùn)動(dòng)模態(tài)，在振動(dòng)齒端形成橢圓形變，兩支撐點(diǎn)周期交替運(yùn)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)合理，工作可靠，行程為100 mm，在平均加速度為2 200 mm/s2的情況下最大的進(jìn)給速度可以達(dá)到140 mm/s，在閉環(huán)控制的情況下，在0.35 s內(nèi)可實(shí)現(xiàn)100 nm的步進(jìn)和0.69 nm的定位精度。

圖8 雙模態(tài)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密平臺(tái)

2.4 多模態(tài)耦合與單模態(tài)觸發(fā)

國(guó)內(nèi)上海大學(xué)機(jī)器人研究所研發(fā)的扁平式XY平面運(yùn)動(dòng)型平臺(tái)如圖9所示，利用多模態(tài)耦合實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)的精密移動(dòng)。它采用多片壓電片驅(qū)動(dòng)，克服了傳統(tǒng)的氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由于缺少運(yùn)動(dòng)阻尼從而導(dǎo)致系統(tǒng)抗干擾能力的降低帶來的后續(xù)問題。同時(shí)，上海大學(xué)還開發(fā)了三角形大推力低矮式直線超聲電機(jī)，如圖10所示。它采用單模態(tài)觸發(fā)模式，用三角形結(jié)構(gòu)放大壓電片的振幅和推力來完成直線運(yùn)動(dòng)。

圖9 扁平式XY平面運(yùn)動(dòng)型平臺(tái)圖10 三角形大推力低矮式直線超聲波電動(dòng)機(jī)

3 總結(jié)與展望

由以上綜述來看，目前國(guó)內(nèi)研制的直線型超聲波電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)精密平臺(tái)運(yùn)動(dòng)行程較短，行程在幾十毫米到幾百毫米的精密平臺(tái)研制較少，運(yùn)動(dòng)速度也較低。但從以后的實(shí)際應(yīng)用和工業(yè)需求來看，速度低、行程小的精密工作臺(tái)有較大局限性，難以滿足一些對(duì)精密程度要求日益增高的工程需要。隨著細(xì)微裝配、微型設(shè)備、大規(guī)模集成電路板加工、精密儀器測(cè)量加工、細(xì)胞領(lǐng)域精密操縱等研究的發(fā)展。發(fā)展高速、大行程、高精度工作臺(tái)是現(xiàn)在迫切需要解決的。

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Present Situation of the Linear Ultrasonic Motor Application in the Precision Stage

SUNXiang-lei，GUOLi-na,LüHong-wei

(Xi'an Aerospace Chemical Propulsion Plant,CASC,Xi'an 710025,China)

The precision stage provides the technical support for the sophisticated industry field. This paper makes the initial introduction on principles, properties and application of precision stages driven by the linear ultrasonic motor, and makes the contrast with the short, small and thin linear ultrasonic motor precision stage of Shanghai University. Through analyzing their characteristics, this paper provides reference for research and development of the linear ultrasonic motor precision stages in our county.

precision stage; linear ultrasonic motor; positioning accuracy

2015-04-25

TM359.9

A

1004-7018(2016)04-0071-04

孫向磊(1981-),男,碩士研究生,工程師，研究方向?yàn)楹教靹?dòng)力設(shè)備自動(dòng)控制。