CN107070296B - 超声电机驱动的二维直线运动平台及微动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种超声电机驱动的二维微动直线运动平台及微动方法。包括底座、一层平台、二层平台和两个直线超声电机定子。其中一层平台通过一个螺栓铰支在底座上，二层平台通过另一个螺栓铰支在一层平台上。两个直线超声电机定子通过支撑装置分别固定在底座和一层平台上。当两个电机同时驱动两个平台做同向转动，则最终合成的二层平台在参考点处的运动为沿x轴方向的直线运动；当两个电机同时驱动两个平台做反向转动，则最终合成的二层平台在参考点处的运动为沿y轴方向的直线运动。所述的二维直线运动平台不包括导轨、滑块等运动机构，进一步提高了控制精度，可实现精密定位。

Description

超声电机驱动的二维直线运动平台及微动方法

技术领域

本发明公开了一种超声电机驱动的二维直线运动平台及微动方法，涉及精密运动平台领域。

背景技术

随着科学技术的不断发展和人类生产生活水平的不断提高，对于高精度、高分辨率的运动和定位平台有着广泛的需求，尤其是在航空航天、武器装备、光学和医学仪器等领域，精密的运动平台一直占据着极其重要的地位。

目前国内的精密平台主要采用电磁电机和压电驱动器来进行驱动。其中，由于对于电磁电机的研究时间最长，技术工艺成熟，由其驱动的运动平台最多，应用也最广；但是电磁电机及其控制系统的结构复杂，存在隔磁防磁的问题，要想实现高精度、高分辨率的运动和定位需要配备复杂的附属装置，还需要进一步的研究和探索。而由压电驱动器驱动的精密平台多采用压电叠堆内置于柔顺机构中，控制精度高，但是存在结构复杂、行程非常小和不能断电自锁的问题。

直线超声电机是20世纪80年代以来发展起来的新型微特电机，具有结构紧凑、响应速度快、不受电磁干扰、断电自锁等优点。显然，采用直线超声电机驱动的精密平台可有效避免上述问题，一些学者进行了这方面的研究。2008年，时运来等在《南京航空航天大学学报（英文版）》发表了《基于直线型超声电机的两自由度精密定位平台》，该定位平台也采用二层平台结构，利用两个直线超声电机分别驱动相应平台做两个方向的直线运动。但是，这种平台依然采用直线导轨作为动子，平台的定位精度受到导轨定位精度的影响，难以实现高精度定位。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种超声电机驱动的二维微动直线运动平台及其微动方法。采用直线超声电机定子作为驱动元件，平台作为动子，直接输出直线运动、体积小、结构紧凑、不受磁场干扰，运动平台不包括导轨、滑块等运动副，定位精度高，响应速度快，断电自锁，抗扰性能好。

本发明设计的一种超声电机驱动的二维直线微动平台，由下而上依次包括底座、一层平台、二层平台，其中，一层平台通过第一螺栓铰支在底座上；二层平台通过第二螺栓铰支在一层平台上。

底座和一层平台之间安装有直线超声电机定子,该直线超声电机定子安装于底座上表面，以底座作为定子基座,以一层平台作为动子；一层平台和二层平台之间也安装有直线超声电机定子,该直线超声电机定子安装于一层平台上表面，以一层平台（2）作为定子基座,以二层平台为动子；且与底座上的直线超声电机成非同向布置；假设二层平台上表面为XOY平面，其中，X轴为第一螺栓和第二螺栓在二层平台上表面的投影点的连线，且第一螺栓投影点到第二螺栓投影点为X轴正方向；Y轴为上述两点连线在二层平台上表面的中位线，按X轴正方向的顺时针方向确定Y轴正方向。

二层平台的上表面包括一个参考点，位于Y轴上，并位于二层平台边缘；当对两个直线超声电机定子施加驱动信号使其工作时，底座上的直线超声电机驱动一层平台绕其铰支点进行小角度旋转运动，同时一层平台上的直线超声电机驱动二层平台绕其铰支点进行小角度旋转运动；由于这个转动的角度在1微弧度以下，在参考点处即合成微小的直线运动；当两个直线超声电机驱动相应平台做同向转动，则最终合成的二层平台在参考点处的运动为沿x轴方向的直线运动；当两个直线超声电机同时驱动相应平台做反向转动，则最终合成的二层平台在参考点处的运动为沿y轴方向的直线运动；通过调节两个直线超声电机的驱动频率、相位和电压，可调节一层平台、二层平台的相对位置，从而完成平台的精密运动及定位。

作为驱动元件的直线超声电机定子为V形定子，包括夹持端，施力端，驱动足，以驱动足朝向为V型定子布置的正方向，则安装于底座上的第一V形定子正向与X轴正方向呈45度角，安装于第一平台上的第二V形定子正向与Y轴正方向呈45度角。采用这种布置方式，当对于两个定子施加相同的驱动信号以驱动平台时，参考点处在X轴与Y轴上的直线运动的位移绝对值相等，有利于控制平台的定位，提高控制精度。

定子基座和动子之间还安装有下摩擦条、摩擦台、上摩擦条、侧摩擦条。其中第一V形定子和下摩擦条安装于定子基座上表面；摩擦台安装于动子下表面，上摩擦条安装于摩擦台下表面并于下摩擦条配合形成运动副，侧摩擦条安装于摩擦台侧面并于驱动足接触。且摩擦台与所对应的动子为一体化结构。

定子基座和动子之间均安装有限位装置，包括一对限位板和一块挡板；其中限位板安装于动子下表面；挡板安装于定子基座上表面。限位板与动子，挡板与定子分别为一体化结构。

一层平台、二层平台开有用于观察底座和一层平台之间的直线超声电机定子以及相应下摩擦条、摩擦台、上摩擦条、侧摩擦条的第一观察口；二层平台还开有用于观察一层平台和二层平台之间的直线超声电机定子以及相应下摩擦条、摩擦台、上摩擦条、侧摩擦条的第二观察口。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明中的二维直线运动平台利用两个非同向布置的直线超声电机作为驱动元件，可实现平台的二维高精度运动及定位。直线超声电机本身体积小、结构紧凑、不需要复杂的传动装置直接输出直线运动的特点，简化了平台的设计也减小了平台的体积。直线超声电机响应速度快、定位精度高，由其驱动的二维平台也同时具备这些优势，断电自锁的特点有利于平台在定位时排除外界微小干扰，保持空间位置。而其可在真空中运行，及无磁场且不受磁场影响的特点有利于扩大平台的应用范围。且平台本身不包括导轨、滑块等运动副，有利于进一步提高平台的运动精度和控制效果。

附图说明

图1为本发明一种超声电机驱动的二维直线运动平台结构示意图；

图2为本发明中底座的结构示意及电机安装方案图；

图3为本发明中一层平台上表面的结构示意及电机安装方案图；

图4为本发明中一层平台下表面的结构示意图；

图5为本发明中二层平台下表面的结构示意图；

图6为本发明平台运动示意图；

图中标号说明：1底座；11限位板；12铰支支撑台；13下摩擦陶瓷条；2 一层平台；21限位板；22 铰支支撑台；23 下摩擦陶瓷条；24 第一观察口；25挡板；26 上摩擦陶瓷条； 27摩擦台；28侧摩擦陶瓷条；3 二层平台；31挡板；32 上摩擦陶瓷条；33 摩擦台；34 下摩擦陶瓷条；35 第二观察口；4 第一V形定子；41固定件；42 施力端；43 驱动足；44 定子正方向；45 兰杰文振子；5 第二V形定子；51固定件；52 施力端；53 驱动足；54 定子正方向；55 兰杰文振子；6 参考点。

具体实施方式

本发明公布了一种超声电机驱动的二维微动直线运动平台。

下文将详细描述本发明的实施方式，文中参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明所设计的一种超声电机驱动的二维直线运动平台如图1所示包括底座1、一层平台2、二层平台3及参考点6；其中一层平台2通过一个螺栓铰支在底座1上，二层平台3通过另一个螺栓铰支在一层平台2上；底座1和一层平台2之间安装有直线超声电机定子,该直线超声电机定子安装于底座1上表面，以底座1作为定子基座,以一层平台2作为动子；一层平台2和二层平台3之间也安装有直线超声电机定子,该直线超声电机定子安装于一层平台2上表面，以一层平台2作为定子基座,以二层平台3为动子。

假设二层平台3上表面为XOY平面，X轴为第一螺栓和第二螺栓在二层平台3上表面的投影点的连线，且第一螺栓投影点到第二螺栓投影点为X轴正方向； Y轴为上述两点连线在二层平台3上表面的中位线，按X轴正方向的顺时针方向确定Y轴正方向。

如图2所示的底座1包括限位板11、铰支支撑台12、下摩擦陶瓷条13。下摩擦陶瓷条13被黏贴在底座上；V形定子4，通过固定件41固定在底座1上，并通过施力端42施加预压力，定子正方向44定义为在两个兰杰文振子45中分线上并与定子开口相反的方向，则安装于底座上的V形定子正向与X轴正方向呈45度角；限位板11和铰支支撑台12与底座1一体化加工而成，限位板11用于限制一层平台2的运动范围，铰支支撑台12用于支持一层平台2并提供铰支点。

一层平台2的具体结构如图3、4所示。其上表面布置如上述的底座1的布置。包括位于的限位板21、铰支支撑台22、下摩擦陶瓷条23、第一观察口24；V形定子5通过固定件51固定在一层平台2上，并通过施力端52施加预压力，定子正方向54定义为在两个兰杰文振子55中分线上并与定子开口相反的方向，则安装于一层平台2上的V形定子5正向与Y轴正方向呈45度角，即与底座1上布置的直线超声电机4互成90度布置。在一层平台2的下表面上，布置有包括挡板25、摩擦陶瓷条26、28、摩擦台27；其中挡板25及摩擦台27与一层平台2一体化加工。挡板25与底座1上的限位板11配合，用于限制一层平台2的运动范围；上摩擦陶瓷条26粘贴于摩擦台27上，与位于底座1上的下摩擦陶瓷条13接触形成运动副。侧摩擦陶瓷条28粘贴于摩擦台27侧面，与位于底座1上的超声电机4驱动足43接触，通过施力端42在驱动足43与陶瓷条28间施加预压力，增加电机4与一层平台2之间的摩擦力和接触的稳定性，当对电机4施加驱动信号使，电机4可驱动一层平台2绕其铰支点转动。

二层平台3的具体结构如图5所示。其布置如一层平台2下表面的布置；包括挡板31、摩擦陶瓷条32、34、摩擦台33及第二观察口35；其中挡板31与一层平台2上的限位板21配合，用于限制二层平台3的运动范围；上摩擦陶瓷条32粘贴于摩擦台33上，与位于一层平台2上的上摩擦陶瓷条23配合形成运动副。另一侧摩擦陶瓷条34粘贴于摩擦台33侧面，与位于一层平台2上的超声电机5驱动足53接触，通过施力端52在驱动足53与陶瓷条34间施加预压力，增加电机4与一层平台2之间的摩擦力和接触的稳定性，当对电机5施加驱动信号使，电机5可驱动二层平台3绕其铰支点转动。

平台的运动原理如图6所示。作为驱动元件的V形定子4、5包括固定件41、51、施力端42、52及驱动足43、53；超声电机通过固定件41、51分别被固定在底座1及一层平台2上，并以互成90度方向布置，通过施力端42、52对驱动足43、53及相对摩擦陶瓷条28、34之间施加预压力，当对两个电机4、5施加驱动信号使其工作时，底座1上的电机4驱动一层平台2绕其铰支点进行小角度旋转运动，同时一层平台2上的电机5驱动二层平台3绕其铰支点进行小角度旋转运动。但这个转动的角度很小通常在1微弧度以下，在参考点6处即合成微小的直线运动。当两个电机4、5驱动两个平台2、3做同向转动，则最终合成的二层平台3在参考点6处的运动为沿x轴方向的直线运动；当两个电机4、5同时驱动两个平台做反向转动，则最终合成的二层平台3在参考点6处的运动为沿y轴方向的直线运动。即通过调节超声电机4、5的驱动频率、相位和电压，可调节一层平台、二层平台的相对位置，从而完成平台的精密运动及定位。

一种超声电机驱动的二维直线运动平台，可实现二维的精密运动和定位。采用直线超声电机作为驱动元件，直接输出直线运动，无传动装置，体积小、结构简单紧凑，不受电磁干扰，响应速度快，定位精度高，整个平台不包含导轨、滑块等运动机构，有利于进一步提高精度。

Claims (7)

1.一种超声电机驱动的二维直线微动平台，由下而上依次包括底座（1）、一层平台（2）、二层平台（3），其特征在于：

所述的一层平台（2）通过第一螺栓铰支在底座（1）上，所述的二层平台（3）通过第二螺栓铰支在一层平台（2）上；

所述底座（1）和一层平台（2）之间安装有直线超声电机定子,该直线超声电机定子安装于底座（1）上表面，以底座（1）作为定子基座,以一层平台（2）作为动子；

一层平台（2）和二层平台（3）之间也安装有直线超声电机定子,该直线超声电机定子安装于一层平台（2）上表面，以一层平台（2）作为定子基座,以二层平台（3）为动子；且与底座（1）上的直线超声电机成非同向布置；

假设二层平台（3）上表面为XOY平面，X轴为第一螺栓和第二螺栓在二层平台（3）上表面的投影点的连线，且第一螺栓投影点到第二螺栓投影点为X轴正方向； Y轴为上述两点连线在二层平台（3）上表面的中位线，按X轴正方向的顺时针方向确定Y轴正方向;

上述直线超声电机定子为V形定子，包括夹持端（41），施力端（42），驱动足（43），定子正方向（44）定义为在两个兰杰文振子（45）中分线上并与定子开口相反的方向，则安装于底座（1）上的第一V形定子（4）正向与X轴正方向呈45度角，安装于第一平台（2）上的第二V形定子（5）正向与Y轴正方向呈45度角；

所述定子基座和动子之间还安装有下摩擦条（13）、摩擦台（27）、上摩擦条（26）、侧摩擦条（28）；其中第一V形定子（4）和下摩擦条（13）安装于定子基座上表面；摩擦台（27）安装于动子下表面，上摩擦条（26）安装于摩擦台（27）下表面并于下摩擦条（13）配合形成运动副，侧摩擦条（28）安装于摩擦台（27）侧面并于驱动足接触。

2.根据权利要求1所述的超声电机驱动的二维直线微动平台，其特征在于：

上述摩擦台（27）与所对应的动子为一体化结构。

3.根据权利要求1所述的超声电机驱动的二维直线微动平台，其特征在于：上述定子基座和动子之间均安装有限位装置。

4.根据权利要求3所述的超声电机驱动的二维直线微动平台，其特征在于：上述限位装置包括一对限位板（11）和一块挡板（25）；其中限位板安装于动子下表面；挡板（25）安装于定子基座上表面。

5.根据权利要求4所述的超声电机驱动的二维直线微动平台，其特征在于：上述限位板（11）与动子，挡板（25）与定子分别为一体化机构。

6.根据权利要求1所述的超声电机驱动的二维直线微动平台，其特征在于：一层平台（2）、二层平台（3）开有用于观察底座（1）和一层平台（2）之间的直线超声电机定子以及相应下摩擦条（13）、摩擦台（27）、上摩擦条（26）、侧摩擦条（28）的第一观察口（24）；二层平台（3）还开有用于观察一层平台（2）和二层平台（3）之间的直线超声电机定子以及相应下摩擦条（13）、摩擦台（27）、上摩擦条（26）、侧摩擦条（28）的第二观察口（35）。

7.根据权利要求1所述的超声电机驱动的二维直线微动平台的微动方法，其特征在于：

所述的二层平台（3）的上表面包括一个参考点（6），位于Y轴上，并位于二层平台（3）边缘；

当对两个直线超声电机定子施加驱动信号使其工作时，底座（1）上的直线超声电机驱动一层平台（2）绕其铰支点进行小角度旋转运动，同时一层平台（2）上的直线超声电机驱动二层平台（3）绕其铰支点进行小角度旋转运动；由于这个转动的角度在1微弧度以下，在参考点（6）处即合成微小的直线运动；

当两个直线超声电机驱动相应平台做同向转动，则最终合成的二层平台（3）在参考点（6）处的运动为沿x轴方向的直线运动；当两个直线超声电机同时驱动相应平台做反向转动，则最终合成的二层平台（3）在参考点（6）处的运动为沿y轴方向的直线运动；

通过调节两个直线超声电机的驱动频率、相位和电压，可调节一层平台、二层平台的相对位置，从而完成平台的精密运动及定位。

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