摘 要：概括了傳統(tǒng)精密工作平臺(tái)的特征，綜述了當(dāng)今世界采用直線超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密定位平臺(tái)的研究現(xiàn)狀及主要產(chǎn)品，列舉了一些典型例子，并總結(jié)了采用直線超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密定位平臺(tái)的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：超聲電動(dòng)機(jī)；直線電動(dòng)機(jī)；精密平臺(tái) [align=center]XU Hang （The First Aeronautic Institute of Air Force，Xinyang 464000，China）[/align] Abstract：Summarized some important characters of traditional precise stage，introduced the present situation of the research and development of precise stage with linear ultrasonic motor， and gave some typicalexamples，sumed up the character of this precise stage． Key W ords：Ultrasonic motor；Linear motor；Precise stage 1 精密工作臺(tái)特點(diǎn) 　　精密工作臺(tái)是實(shí)現(xiàn)平面X—Y坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的典型關(guān)鍵部件。近年來，隨著半導(dǎo)體光刻、微型機(jī)械、精密測(cè)量、超精密加工、微型裝配和納米技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)精密工作臺(tái)的需求量不斷增加，對(duì)工作臺(tái)部件的精度和運(yùn)動(dòng)速度也提出了愈來愈高的要求[1]。 　　傳統(tǒng)的精密工作臺(tái)一般是由伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠推動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，要經(jīng)過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。精度越高的平臺(tái)對(duì)滾珠絲杠的加工精度和伺服電機(jī)的控制精度要求越高[2]。 　　利用宏（粗）、微（細(xì)）兩級(jí)定位系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的大行程精密工作臺(tái)的特點(diǎn)主要是： 　　（1）微動(dòng)定位系統(tǒng)一般都是采用壓電作動(dòng)器或者壓電作動(dòng)器與柔性鉸鏈技術(shù)相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)； 　�。�2）宏（粗）定位系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)一般采用交流或直流伺服電機(jī)； 　　（3）系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)較龐雜，存在較多的中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)； 　�。�4）控制系統(tǒng)一般都較復(fù)雜，例如采用FUZZY控制器實(shí)現(xiàn)宏（粗）定位，采用PI控制實(shí)現(xiàn)微定位，算法程序較復(fù)雜，控制系統(tǒng)成本高，所以系統(tǒng)響應(yīng)一般都較慢，近秒級(jí)； 　　所以，要實(shí)現(xiàn)大行程內(nèi)亞微米級(jí)甚至納米級(jí)的定位，常規(guī)的驅(qū)動(dòng)方式就顯得無能為力了。由于絲杠本身的螺紋空程和摩擦的存在，定位精度的進(jìn)一步提高受到限制；同時(shí)，這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不可避免地存在較多的中間運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和彈性變形，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也較差。 　　為此，一種大行程、定位精密、快速響應(yīng)的工作臺(tái)的研究吸引了許多科研工作者的注意力。直線超聲電機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)之一就是可以直接輸出直線運(yùn)動(dòng)而不需要轉(zhuǎn)換裝置，且能夠做到斷電自鎖，因此，很自然地被用于線性定位。 2 超聲波壓電陶瓷電機(jī)平臺(tái) 　　最早將直線超聲電機(jī)用于精密工作平臺(tái)的國家是日本。1991年， 日本Kazumasa研制了一種利用π型直線超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密X-Y工作臺(tái)[3]。該工作臺(tái)尺寸為208×208×56mm3 ，最大速度為30 mm／s，最大輸出力為600 gf。在驅(qū)動(dòng)頻率為90 kHz時(shí)，位置精度可達(dá)0．01μm。 　　日本Kyocera公司生產(chǎn)的X —y精密定位裝置系列產(chǎn)品于2000年獲得第42屆年度“十佳最新產(chǎn)品”稱號(hào)，被認(rèn)為是在解決新一代超級(jí)集成電路所面臨的問題上取得的重大突破[4]。由于該產(chǎn)品能提供超精細(xì)微處理技術(shù)，也為許多高新技術(shù)的發(fā)展帶來了機(jī)遇。 　　這個(gè)系列產(chǎn)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達(dá)到10nm／s，定位精度達(dá)到或超過10nm，位置分辨率為1nm或更高；高速型的運(yùn)動(dòng)速度為200mm／s或更高，速度波動(dòng)小于1％，定位精度在±0．1μm。超低速類型可用于微型機(jī)械加工設(shè)備、表面分析設(shè)備和新一代高密度存儲(chǔ)器的生產(chǎn)設(shè)備，高速型可用于電子束發(fā)射器、電子掃描顯微鏡或探傷設(shè)備。 　　德國著名的PI公司在不斷推出新型壓電陶瓷作動(dòng)器的同時(shí)，還致力于超聲電機(jī)的研制。PI公司推出的直線超聲電機(jī)精密工作平臺(tái)的特點(diǎn)是：曾疊式壓電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)；一體化驅(qū)動(dòng)控制器；可承受10G的加速度；自鎖特性，無伺服抖動(dòng)現(xiàn)象；真空工作平臺(tái)可在10—8hPa的狀態(tài)下工作；200004～時(shí)平均無故障工作時(shí)問[5]。傳統(tǒng)定位系統(tǒng)由于難以克服摩擦的問題只能達(dá)到0．5μm～0.1μm的可重復(fù)性，而PI公司的柔性納米定位系統(tǒng)石達(dá)到納米和亞納米的分辨率、可重復(fù)性和運(yùn)動(dòng)平坦度，可用于顯微技術(shù)、納米定位、計(jì)量科學(xué)、醫(yī)療分析、微操作、半導(dǎo)體制造等相關(guān)設(shè)備中。 　　美國已開發(fā)出了系列直線超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密工作平臺(tái)。美國北卡大學(xué)的直線定位裝置由直線伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)粗定位，使工作臺(tái)走到大致位置，然后，由直線超聲電機(jī)精確定位，使工作臺(tái)走到指令預(yù)先設(shè)定的位置。資料顯示，這種電機(jī)的定位誤差不超過50Hm[6]，精度可以相當(dāng)高。但是，這個(gè)定位裝置是傳統(tǒng)電磁電機(jī)與超聲電機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)品，并沒有完全擺脫傳統(tǒng)電機(jī)所帶來的約束，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還存在一些限制條件，很難實(shí)現(xiàn)小型化，也不能用于磁場(chǎng)強(qiáng)度大的場(chǎng)合。 　　美國Nanomotion公司的精密壓電陶瓷電機(jī)采用超聲波駐波原理，具有優(yōu)異的低速平穩(wěn)性和動(dòng)態(tài)特性。同一臺(tái)電機(jī)可直接驅(qū)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電機(jī)內(nèi)部無磁場(chǎng)，無運(yùn)動(dòng)元件，結(jié)構(gòu)小巧，能提供無限的行程 ]。應(yīng)用場(chǎng)合主要有半導(dǎo)體和平板設(shè)備，一般環(huán)境到超真空環(huán)境，光纖制造和動(dòng)力元件，生物醫(yī)學(xué)和制藥業(yè)，直線平臺(tái)和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（X，Y，0），顯微鏡，印刷機(jī)和繪圖儀，精密掃描，真空應(yīng)用等系統(tǒng)。 3 采用超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密直線平臺(tái)特點(diǎn) 　　采用超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密直線平臺(tái)，無論是高速還是超低速型，都具有以下特點(diǎn)： 　�。�1）結(jié)構(gòu)緊湊。由于傳統(tǒng)電磁電機(jī)具有電磁效應(yīng)，為了避免電磁效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的不利影響，必須將電機(jī)與系統(tǒng)相隔離，這勢(shì)必增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，而超聲電機(jī)不產(chǎn)生磁場(chǎng)，無需增加類似結(jié)構(gòu)，大大降低了系統(tǒng)的整體尺寸； 　�。�2）高定位精度。由超聲電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)與傳統(tǒng)電磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，定位快速而又準(zhǔn)確； 　　（3）高可靠性。電機(jī)的陶瓷材料、導(dǎo)軌、導(dǎo)軌材料和電機(jī)控制系統(tǒng)都經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)的可靠性。 　　綜上所述，直線型超聲電機(jī)在精密定位中有著決定性的作用。直線超聲電機(jī)是一種很有發(fā)展前途的、理想的高科技直線驅(qū)動(dòng)器�？梢灶A(yù)言，不久的將來，直線型超聲電機(jī)將以其明顯的優(yōu)勢(shì)，在自動(dòng)控制、精密定位等領(lǐng)域?qū)@得成功的應(yīng)用。現(xiàn)在市場(chǎng)上的納米級(jí)定位精度的工作平臺(tái)基本上幾乎全是以直線超聲電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，而市場(chǎng)上可提供的精密直線超聲電機(jī)以及采用其驅(qū)動(dòng)的精密定位平臺(tái)基本上全是國外的，我國在這方面的工作還很不夠，在知識(shí)產(chǎn)權(quán)、專利保護(hù)方面，我們只有通過自己的努力，才能擁有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的精密直線定位系統(tǒng)，為我國的裝備工業(yè)提供現(xiàn)代化的基礎(chǔ)裝備。 參考文獻(xiàn) [1] 黃國慶，劉群亭，黃衛(wèi)清，等．直線超聲電機(jī)研究的現(xiàn)狀[J]．微特電機(jī)，2003，31（2）：24-26． [2] 吳鷹飛，周兆英．超精密定位工作臺(tái)[J]．微細(xì)加工技術(shù)，2002，2（6）4l47．