采用直线超声电机驱动的精密定位平台的特点

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摘 要：概括了传统精密工作平台的特征，综述了当今世界采用直线超声电机驱动的精密定位平台的研究现状及主要产品，列举了一些典型例子，并总结了采用直线超声电机驱动的精密定位平台的特点。
1 精密工作台特点
　　精密工作台是实现平面X—Y坐标运动的典型关键部件。近年来，随着半导体光刻、微型机械、精密测量、超精密加工、微型装配和纳米技术的迅速发展，对精密工作台的需求量不断增加，对工作台部件的精度和运动速度也提出了愈来愈高的要求[1]。
- s5 |; |4 F. |4 W: l" C　　传统的精密工作台一般是由伺服电机带动滚珠丝杠推动平台进行直线运动，要经过旋转运动到直线运动的转换。精度越高的平台对滚珠丝杠的加工精度和伺服电机的控制精度要求越高[2]。
/ c6 \' j4 w! l; i! Q- ~) ^+ J　　利用宏（粗）、微（细）两级定位系统驱动的大行程精密工作台的特点主要是：
: ]/ l6 w* \3 c) ^0 n( p; W　　（1）微动定位系统一般都是采用压电作动器或者压电作动器与柔性铰链技术相结合的驱动系统；
　　（2）宏（粗）定位系统驱动一般采用交流或直流伺服电机；
　　（3）系统的物理结构较庞杂，存在较多的中间转换环节；
　　（4）控制系统一般都较复杂，例如采用FUZZY控制器实现宏（粗）定位，采用PI控制实现微定位，算法程序较复杂，控制系统成本高，所以系统响应一般都较慢，近秒级；
" a4 ~4 `! A0 q8 E2 p/ i. j　　所以，要实现大行程内亚微米级甚至纳米级的定位，常规的驱动方式就显得无能为力了。由于丝杠本身的螺纹空程和摩擦的存在，定位精度的进一步提高受到限制；同时，这种驱动系统不可避免地存在较多的中间运动转换环节和弹性变形，系统的实时性也较差。
　　为此，一种大行程、定位精密、快速响应的工作台的研究吸引了许多科研工作者的注意力。直线超声电机的最大优势之一就是可以直接输出直线运动而不需要转换装置，且能够做到断电自锁，因此，很自然地被用于线性定位。
5 }  m5 h( v- b- P# ^$ Q  I2 超声波压电陶瓷电机平台
　　最早将直线超声电机用于精密工作平台的国家是日本。1991年， 日本Kazumasa研制了一种利用π型直线超声电机驱动的精密X-Y工作台[3]。该工作台尺寸为208×208×56mm3 ，最大速度为30 mm／s，最大输出力为600 gf。在驱动频率为90 kHz时，位置精度可达0．01μm。
. @, v* @$ r& V7 j' _& }　　日本Kyocera公司生产的X —y精密定位装置系列产品于2000年获得第42届年度“十佳最新产品”称号，被认为是在解决新一代超级集成电路所面临的问题上取得的重大突破[4]。由于该产品能提供超精细微处理技术，也为许多高新技术的发展带来了机遇。
, W( I. I' `" i# y, }( K　　这个系列产品主要包括：超低速型和高速型。超低速型的上作速度最低可以达到10nm／s，定位精度达到或超过10nm，位置分辨率为1nm或更高；高速型的运动速度为200mm／s或更高，速度波动小于1％，定位精度在±0．1μm。超低速类型可用于微型机械加工设备、表面分析设备和新一代高密度存储器的生产设备，高速型可用于电子束发射器、电子扫描显微镜或探伤设备。
; K6 H& y5 g1 e9 N　　德国著名的PI公司在不断推出新型压电陶瓷作动器的同时，还致力于超声电机的研制。PI公司推出的直线超声电机精密工作平台的特点是：曾叠式压电马达驱动；一体化驱动控制器；可承受10G的加速度；自锁特性，无伺服抖动现象；真空工作平台可在10—8hPa的状态下工作；200004～时平均无故障工作时问[5]。传统定位系统由于难以克服摩擦的问题只能达到0．5μm～0.1μm的可重复性，而PI公司的柔性纳米定位系统石达到纳米和亚纳米的分辨率、可重复性和运动平坦度，可用于显微技术、纳米定位、计量科学、医疗分析、微操作、半导体制造等相关设备中。
　　美国已开发出了系列直线超声电机驱动的精密工作平台。美国北卡大学的直线定位装置由直线伺服电机实现粗定位，使工作台走到大致位置，然后，由直线超声电机精确定位，使工作台走到指令预先设定的位置。资料显示，这种电机的定位误差不超过50Hm[6]，精度可以相当高。但是，这个定位装置是传统电磁电机与超声电机相结合的产品，并没有完全摆脱传统电机所带来的约束，结构设计上还存在一些限制条件，很难实现小型化，也不能用于磁场强度大的场合。
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4 J) w5 `5 t" W6 x  o　　美国Nanomotion公司的精密压电陶瓷电机采用超声波驻波原理，具有优异的低速平稳性和动态特性。同一台电机可直接驱动直线运动或旋转运动。电机内部无磁场，无运动元件，结构小巧，能提供无限的行程 ]。应用场合主要有半导体和平板设备，一般环境到超真空环境，光纤制造和动力元件，生物医学和制药业，直线平台和旋转平台，精密运动系统（X，Y，0），显微镜，印刷机和绘图仪，精密扫描，真空应用等系统。
3 采用超声电机驱动的精密直线平台特点
, Q4 Z) m2 p9 i3 W8 \" b. _　　采用超声电机驱动的精密直线平台，无论是高速还是超低速型，都具有以下特点：
　　（1）结构紧凑。由于传统电磁电机具有电磁效应，为了避免电磁效应对系统运行的不利影响，必须将电机与系统相隔离，这势必增加结构的复杂性，而超声电机不产生磁场，无需增加类似结构，大大降低了系统的整体尺寸；
' r1 n4 I( C* @8 v　　（2）高定位精度。由超声电机直接驱动工作台与传统电磁电机驱动相比，定位快速而又准确；
　　（3）高可靠性。电机的陶瓷材料、导轨、导轨材料和电机控制系统都经过优化设计，保证了系统的可靠性。
5 F5 C, |* C9 `　　综上所述，直线型超声电机在精密定位中有着决定性的作用。直线超声电机是一种很有发展前途的、理想的高科技直线驱动器。可以预言，不久的将来，直线型超声电机将以其明显的优势，在自动控制、精密定位等领域将获得成功的应用。现在市场上的纳米级定位精度的工作平台基本上几乎全是以直线超声电机作为驱动器，而市场上可提供的精密直线超声电机以及采用其驱动的精密定位平台基本上全是国外的，我国在这方面的工作还很不够，在知识产权、专利保护方面，我们只有通过自己的努力，才能拥有完全知识产权的精密直线定位系统，为我国的装备工业提供现代化的基础装备。
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