直線超聲波電動機在精密平臺中應用的現狀

孫向磊，郭麗娜，呂宏偉

(航天動力技術研究院 西安航天化學動力廠，西安 710025)

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直線超聲波電動機在精密平臺中應用的現狀

孫向磊，郭麗娜，呂宏偉

(航天動力技術研究院 西安航天化學動力廠，西安 710025)

尖端工業生產領域需要精密平臺為其提供技術支持。對各國的先進直線超聲波電動機驅動的精密平臺的原理、性能和應用作了初步介紹，并與上海大學研制的短、小、薄超聲波電動機精密平臺作對比。通過分析它們的特點，為我國的直線超聲波電動機驅動控制精密平臺的開發研究提供建議和參考。

精密平臺；直線超聲波電動機；定位精度

0 引 言

近些年，納米級操作技術已成人類進入微觀世界的關鍵技術，成為各國科學研究工作中急需解決的重要組成部分。超耐久性、高精度、遠行走距離的超精密工作臺系統在這個領域內占有極為重要的地位。在細微裝配、微型設備、大規模集成電路板生產加工、精密儀器測量加工、細胞領域精密操縱等研究項目中,精確的定位和特別精細的操作是迫切需要的,由此可見超精密定位工作臺為這些研究領域提供必需的技術支持。工作臺的運動控制、運動加速度及起動和停止過程中達到穩定狀態所耗時間又影響了工作效率, 成為工作臺系統的參考指標。另外,精密平臺的載重、振動、控制等技術指標參數決定了我國在高技術領域研究水平的參考標志。最早的精密定位平臺是由直線導軌、步進電機和滾珠絲杠，由于滾珠絲杠的回程間隙和步進角的限制，其定位精度并不高[1-4]。

1 超聲波電動機的優點

自上世紀80 年代后，出現了一種新型的微電機——超聲波電動機，它和普通電機不同，普通電機需要電機定子和動子繞組和磁運行回路，而超聲波電動機不需要。超聲波電動機而是利用壓電陶瓷制作的壓電元件的逆壓電效應把具有彈性變形能力的微小形變，通過放大機制和兩種或幾種物體的摩擦耦合組合成為物體的宏觀運動。超聲波電動機和以前的電磁電機相比，更適合作為精密平臺的驅動電機，有以下優點：(1)不產生磁場、不受磁場影響；(2)低速大力矩和無噪聲；(3)響應快和斷電自鎖；(4)結構簡單，扭矩/重量比大，并且電機的形狀可以多樣化[5]。

直線超聲波電動機作為驅動電機可通過電機頂部的摩擦頭直接驅動平臺，而不必再采用旋轉運動轉變成直線運動的機械結構，從而減小了不必要的誤差，并且平臺可以設計成一級進給的機構，可同時滿足大行程、高精度、高響應度。

2 國內外開發的精密平臺

作為精密平臺驅動的超聲波電動機，其結構形式和模態是多種多樣的，國外已開發出多種，大致可分為共振式和非共振式，共振式又可以分為多模態和單一模態。

2.1 共振式單一模態

2.1.1 單點接觸駐波式

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

圖1 共振式單一模態精密平臺

(a)振動模態(5.0)(b)振動模態(6.0)

圖2 駐波式直線電動機工作原理

圖3是新加坡南洋技術大學研制的一種精密平臺，電機是一種振子作為動子的直線超聲波電動機，這種電機具有簡單緊湊的特點。行程為220 mm，行程主要取決于直線導軌的長度，無負載時的速度可達80 mm/s，負載300 g的速度可達23 mm/s，自鎖力6.9 N，起動力4.9 N,分辨率小于50 nm，起動時間為12 ms[7]。

圖3 精密平臺工作圖

國內浙江大學也開展了類似的駐波模態直線超聲波電動機研究。同樣是利用設定振子的B3，B4階不同彎曲模態，實現正向和反向行進，該結構的超聲波電動機國內外都有類似研究[8]。

2.1.2 多點接觸駐波式

德國Pi公司2006年設計出了如圖4所示的多點接觸駐波式直線型超聲波電動機。該直線電動機的定子是一塊壓電陶瓷板，兩個滑塊通過彈簧壓在定子上，動子可以沿著定子的溝槽做直線運動。在壓電陶瓷板上沿著厚度方向覆蓋電極，上面覆蓋兩個電極，下面覆蓋一個電極，通過激發壓電陶瓷的E(3，1)振動模態，使定子的溝槽產生變形，在動子與定子接觸的各個點的合力下，動子沿著溝槽做直線運動，通過切換上面覆蓋的兩個電極來改變動子的運動方向。該電機的尺寸為9 mm×4 mm×1.5 mm，行程3.2 mm，開環最大運行速度100 mm/s，閉環速度也可以達到幾厘米每秒；可承受負載0.6g，驅動電壓為2.8～3.2 V[9]。

圖4 Pi公司直線電機原理圖

2.2 共振式雙模態

2.2.1 雙縱向駐波式

圖 5是國立高雄應用科技大學研究開發的一種雙縱向駐波式直線超聲波電動機。圖中所示電機是由一個橢圓形的金屬彈性橢圓體、兩邊是積層型的壓電致動器和底座組成。通過正弦波電壓激勵壓電致動器，使其能夠產生周期性的微小形變，進而使橢圓形金屬彈性體產生相應變形，并且能夠讓彈性體上的定子在其作用點上形成橢圓形的運動。通過定子上產生足夠大小的橢圓形的運動形變，就可以施加正向力，把定子上的橢圓形形變轉換成為滑臺上的宏觀直線運動[10]。此超聲波電動機是利用兩個具有相位差的電壓去激發兩個壓電材料的縱向振動，實現圓環結構上的作用點產生切向與法向的振動運動[11]。圖6是橢圓形定子超聲波電動機的工作圖。

圖5 橢圓形定子原理圖圖6 工作圖

2.2.2 縱扭雙模態

以色列Nanomotion公司所制造的雙模態超聲波電動機是目前商業化的駐波型超聲波電動機之一。如圖7所示，經由通常設計電壓定子之長寬比，將可使壓電塊僅利用單一頻率的弦波電壓同時激發第一個縱向模態(L1)和第二個彎曲模態(B2)。當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，則壓電塊的頂端將會有近似圓形或橢圓形的軌跡出現，利用此軌跡并經由摩擦頭通過摩擦接觸面將有效地使平臺產生平移。而在右上角及左下角電極加上弦波電壓將可得到反向運動[12]。

圖7是 Nanomotion 公司生產的單驅動頭駐波型壓電直線電動機原理圖。參數如下：工作臺尺寸380 mm×380 mm×225 mm；最大速度(無負載)250 mm/s；加速度0～0.1g；步進時間小于270 ms；最大輸出推力3.5～4.5 N；剛度0.8～1 N/μm；分辨率優于100 nm(視應用情況)；名義預緊力18 N。

圖7 駐波型壓電直線電動機

可以通過增加電機的驅動頭數來提高電機的輸出推力和剛度[13]。

2.3 非共振雙模態

日本的Shinji Takada, Hiroyuki Hashiguchi等人研究開發了一種雙模態非共振的壓電驅動器，如圖8所示[15]。這種電機的驅動頻率因為不是工作在壓電陶瓷的共振區域，所以該超聲波電動機的驅動頻率可以在很大的范圍內調節。該電機是利用彎曲模態和伸縮模態兩種運動模態，在振動齒端形成橢圓形變，兩支撐點周期交替運動。該驅動器設計合理，工作可靠，行程為100 mm，在平均加速度為2 200 mm/s2的情況下最大的進給速度可以達到140 mm/s，在閉環控制的情況下，在0.35 s內可實現100 nm的步進和0.69 nm的定位精度。

圖8 雙模態直線電機驅動的精密平臺

2.4 多模態耦合與單模態觸發

國內上海大學機器人研究所研發的扁平式XY平面運動型平臺如圖9所示，利用多模態耦合實現了平臺的精密移動。它采用多片壓電片驅動，克服了傳統的氣浮式運動平臺由于缺少運動阻尼從而導致系統抗干擾能力的降低帶來的后續問題。同時，上海大學還開發了三角形大推力低矮式直線超聲電機，如圖10所示。它采用單模態觸發模式，用三角形結構放大壓電片的振幅和推力來完成直線運動。

圖9 扁平式XY平面運動型平臺圖10 三角形大推力低矮式直線超聲波電動機

3 總結與展望

由以上綜述來看，目前國內研制的直線型超聲波電動機運動精密平臺運動行程較短，行程在幾十毫米到幾百毫米的精密平臺研制較少，運動速度也較低。但從以后的實際應用和工業需求來看，速度低、行程小的精密工作臺有較大局限性，難以滿足一些對精密程度要求日益增高的工程需要。隨著細微裝配、微型設備、大規模集成電路板加工、精密儀器測量加工、細胞領域精密操縱等研究的發展。發展高速、大行程、高精度工作臺是現在迫切需要解決的。

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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，研究方向為航天動力設備自動控制。