摘 要：概括了傳統精密工作平臺的特征，綜述了當今世界采用直線超聲電機驅動的精密定位平臺的研究現狀及主要產品，列舉了一些典型例子，并總結了采用直線超聲電機驅動的精密定位平臺的特點。 關鍵詞：超聲電動機；直線電動機；精密平臺 [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 精密工作臺特點 　　精密工作臺是實現平面X—Y坐標運動的典型關鍵部件。近年來，隨著半導體光刻、微型機械、精密測量、超精密加工、微型裝配和納米技術的迅速發展，對精密工作臺的需求量不斷增加，對工作臺部件的精度和運動速度也提出了愈來愈高的要求[1]。 　　傳統的精密工作臺一般是由伺服電機帶動滾珠絲杠推動平臺進行直線運動，要經過旋轉運動到直線運動的轉換。精度越高的平臺對滾珠絲杠的加工精度和伺服電機的控制精度要求越高[2]。 　　利用宏（粗）、微（細）兩級定位系統驅動的大行程精密工作臺的特點主要是： 　?。?）微動定位系統一般都是采用壓電作動器或者壓電作動器與柔性鉸鏈技術相結合的驅動系統； 　?。?）宏（粗）定位系統驅動一般采用交流或直流伺服電機； 　?。?）系統的物理結構較龐雜，存在較多的中間轉換環節； 　　（4）控制系統一般都較復雜，例如采用FUZZY控制器實現宏（粗）定位，采用PI控制實現微定位，算法程序較復雜，控制系統成本高，所以系統響應一般都較慢，近秒級； 　　所以，要實現大行程內亞微米級甚至納米級的定位，常規的驅動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，定位精度的進一步提高受到限制；同時，這種驅動系統不可避免地存在較多的中間運動轉換環節和彈性變形，系統的實時性也較差。 　　為此，一種大行程、定位精密、快速響應的工作臺的研究吸引了許多科研工作者的注意力。直線超聲電機的最大優勢之一就是可以直接輸出直線運動而不需要轉換裝置，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平臺 　　最早將直線超聲電機用于精密工作平臺的國家是日本。1991年， 日本Kazumasa研制了一種利用π型直線超聲電機驅動的精密X-Y工作臺[3]。該工作臺尺寸為208×208×56mm3 ，最大速度為30 mm／s，最大輸出力為600 gf。在驅動頻率為90 kHz時，位置精度可達0．01μm。 　　日本Kyocera公司生產的X —y精密定位裝置系列產品于2000年獲得第42屆年度“十佳最新產品”稱號，被認為是在解決新一代超級集成電路所面臨的問題上取得的重大突破[4]。由于該產品能提供超精細微處理技術，也為許多高新技術的發展帶來了機遇。 　　這個系列產品主要包括：超低速型和高速型。超低速型的上作速度最低可以達到10nm／s，定位精度達到或超過10nm，位置分辨率為1nm或更高；高速型的運動速度為200mm／s或更高，速度波動小于1％，定位精度在±0．1μm。超低速類型可用于微型機械加工設備、表面分析設備和新一代高密度存儲器的生產設備，高速型可用于電子束發射器、電子掃描顯微鏡或探傷設備。 　　德國著名的PI公司在不斷推出新型壓電陶瓷作動器的同時，還致力于超聲電機的研制。PI公司推出的直線超聲電機精密工作平臺的特點是：曾疊式壓電馬達驅動；一體化驅動控制器；可承受10G的加速度；自鎖特性，無伺服抖動現象；真空工作平臺可在10—8hPa的狀態下工作；200004～時平均無故障工作時問[5]。傳統定位系統由于難以克服摩擦的問題只能達到0．5μm～0.1μm的可重復性，而PI公司的柔性納米定位系統石達到納米和亞納米的分辨率、可重復性和運動平坦度，可用于顯微技術、納米定位、計量科學、醫療分析、微操作、半導體制造等相關設備中。 　　美國已開發出了系列直線超聲電機驅動的精密工作平臺。美國北卡大學的直線定位裝置由直線伺服電機實現粗定位，使工作臺走到大致位置，然后，由直線超聲電機精確定位，使工作臺走到指令預先設定的位置。資料顯示，這種電機的定位誤差不超過50Hm[6]，精度可以相當高。但是，這個定位裝置是傳統電磁電機與超聲電機相結合的產品，并沒有完全擺脫傳統電機所帶來的約束，結構設計上還存在一些限制條件，很難實現小型化，也不能用于磁場強度大的場合。 　　美國Nanomotion公司的精密壓電陶瓷電機采用超聲波駐波原理，具有優異的低速平穩性和動態特性。同一臺電機可直接驅動直線運動或旋轉運動。電機內部無磁場，無運動元件，結構小巧，能提供無限的行程 ]。應用場合主要有半導體和平板設備，一般環境到超真空環境，光纖制造和動力元件，生物醫學和制藥業，直線平臺和旋轉平臺，精密運動系統（X，Y，0），顯微鏡，印刷機和繪圖儀，精密掃描，真空應用等系統。 3 采用超聲電機驅動的精密直線平臺特點 　　采用超聲電機驅動的精密直線平臺，無論是高速還是超低速型，都具有以下特點： 　　（1）結構緊湊。由于傳統電磁電機具有電磁效應，為了避免電磁效應對系統運行的不利影響，必須將電機與系統相隔離，這勢必增加結構的復雜性，而超聲電機不產生磁場，無需增加類似結構，大大降低了系統的整體尺寸； 　　（2）高定位精度。由超聲電機直接驅動工作臺與傳統電磁電機驅動相比，定位快速而又準確； 　　（3）高可靠性。電機的陶瓷材料、導軌、導軌材料和電機控制系統都經過優化設計，保證了系統的可靠性。 　　綜上所述，直線型超聲電機在精密定位中有著決定性的作用。直線超聲電機是一種很有發展前途的、理想的高科技直線驅動器?？梢灶A言，不久的將來，直線型超聲電機將以其明顯的優勢，在自動控制、精密定位等領域將獲得成功的應用。現在市場上的納米級定位精度的工作平臺基本上幾乎全是以直線超聲電機作為驅動器，而市場上可提供的精密直線超聲電機以及采用其驅動的精密定位平臺基本上全是國外的，我國在這方面的工作還很不夠，在知識產權、專利保護方面，我們只有通過自己的努力，才能擁有完全知識產權的精密直線定位系統，為我國的裝備工業提供現代化的基礎裝備。 參考文獻 [1] 黃國慶，劉群亭，黃衛清，等．直線超聲電機研究的現狀[J]．微特電機，2003，31（2）：24-26． [2] 吳鷹飛，周兆英．超精密定位工作臺[J]．微細加工技術，2002，2（6）4l47．