超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大行程、高精度二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在顯微外科手術(shù)設(shè)備、電子隧道掃描顯微鏡、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等很多精密設(shè)備上都有著廣泛的應(yīng)用需求。利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)工作的超聲電機(jī)以其響應(yīng)快、分辨率高等獨(dú)特的性能愈來(lái)愈得到精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的重視和認(rèn)可。目前，利用壓電陶瓷的靜變形來(lái)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)定位精度的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其行程往往只有幾十到幾百微米，而利用電磁電機(jī)和壓電作動(dòng)器組合而成的宏微結(jié)合運(yùn)動(dòng)平臺(tái)又有著機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜的缺點(diǎn)，因此，由具有納米級(jí)位移分辨率的超聲電機(jī)構(gòu)建大行程

2、、高精度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)成為前沿技術(shù)之一。
　　本文的主要工作圍繞著超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大行程、高精度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行了深入的研究，并取得以下成果:
　　(1)研究了行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的單周速度波動(dòng)率、步距一致性的問題，提出了一種提高單周速度穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。理論分析認(rèn)為加工和裝配誤差引起的定/轉(zhuǎn)子接觸界面上沿圓周方向的壓力不均衡是影響行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)單周速度穩(wěn)定性、步距均勻性的主要原因之一。為此，提出一種單軸承支撐附加調(diào)心

3、結(jié)構(gòu)的方案，可以使接觸界面實(shí)現(xiàn)壓力自平衡，改善接觸界面的壓力分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空載單周相對(duì)速度波動(dòng)率降低了約40.0％，波動(dòng)小于±2.0％;這有利于提高運(yùn)動(dòng)平臺(tái)開環(huán)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)步距的一致性。
　　(2)研究了行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的最小響應(yīng)脈沖寬度和電機(jī)關(guān)斷時(shí)過沖量的大小。旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的啟動(dòng)/停止瞬態(tài)特性決定了其角度分辨率，進(jìn)而影響絲杠平臺(tái)的位移分辨率（最小步距），影響運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度。結(jié)合絲杠導(dǎo)程(4mm)，研究結(jié)果可以預(yù)測(cè)出超聲

4、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲杠平臺(tái)理論上所能達(dá)到的定位精度（0.6μm）。
　　(3)開發(fā)了行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二維平臺(tái)。利用直線光柵尺和編碼器兩種不同的位置反饋單元的信號(hào)作比對(duì)，分別測(cè)試了平臺(tái)的螺距不均勻誤差、回程誤差，并在搭建的基于GT-400運(yùn)動(dòng)控制卡的控制系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)償，將絲杠平臺(tái)的定位精度由絲杠的標(biāo)稱定位精度±5μm提高至±2.5μm。
　　(4)直線超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的性能很大程度上取決于直線超聲電機(jī)的性能，而直線

5、超聲電機(jī)的性能很大程度上取決于其定子與動(dòng)子（平臺(tái)）的接觸狀態(tài)，而為了減小接觸變形對(duì)定位精度的影響，本文采用高硬度摩擦材料（ZrO、AL2O3）作為摩擦副。因此，作者研究了高硬度材料摩擦副直線超聲電機(jī)定子與動(dòng)子之間的接觸匹配問題，提出了“接觸頻率”的概念。通過建立高硬度摩擦副直線超聲電機(jī)的定子/動(dòng)子在接觸面法向上的接觸模型并進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，得出了定子支撐彈簧剛度、預(yù)壓力、定子質(zhì)心和驅(qū)動(dòng)足的振幅等對(duì)接觸頻率的影響規(guī)律，探討了相關(guān)改善方法

6、。
　　(5)為了提高運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)單元的性能，研究了提高直線超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的推力、效率及穩(wěn)定性的途徑。提出采用多個(gè)超聲電機(jī)協(xié)同工作的“異步并聯(lián)”的方法。通過設(shè)定每個(gè)超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的相位，使得不同的超聲電機(jī)定子依次交替作用于動(dòng)子，以避免多個(gè)定子間相互干擾、磨損加劇和內(nèi)耗增加的問題，提高了驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)效率，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　(6)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位移分辨率、瞬態(tài)特性決定了直線平臺(tái)的定位精度;作者研究了

7、單足V形、雙足碟形直線超聲電機(jī)的瞬態(tài)特性及雙足蝶形直線超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位移分辨率，分析了各種參數(shù)對(duì)位移分辨率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:定子從開始振動(dòng)至達(dá)到穩(wěn)定振幅僅需1.7ms，關(guān)斷時(shí)間小于1ms;本文雙足直線超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的分辨率達(dá)到25nm。
　　(7)建立了直線超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的等效電路模型，得到了其傳遞函數(shù)。分析比較了基于MSP430單片機(jī)、DSP以及GT-400運(yùn)動(dòng)控制卡的各種控制器的特點(diǎn)，并在基于