CN113630037A

CN113630037A - 一种驻波式压电马达运动分辨率提升装置和方法

Info

Publication number: CN113630037A
Application number: CN202110929214.7A
Authority: CN
Inventors: 胡秋; 李梦阳; 王佳昌; 张日升
Original assignee: Institute of Mechanical Manufacturing Technology of CAEP
Current assignee: Institute of Mechanical Manufacturing Technology of CAEP
Priority date: 2021-08-13
Filing date: 2021-08-13
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2041-08-13
Also published as: CN113630037B

Abstract

本发明公开了一种驻波式压电马达运动分辨率提升装置和方法，包括上层驱动结构和下层驱动结构；所述上层驱动结构包括上层转子、沿上层转子圆心对称布置于所述上层转子圆周侧的上层压电马达组；所述下层驱动结构包括下层转子、沿下层转子圆心对称布置于所述下层转子圆周侧的下层压电马达组，所述上层压电马达组和下层压电马达组均包括N个压电马达；所述上层转子和下层转子同轴设置，且所述上层转子在所述上层压电马达组的驱动下沿顺时针方向转动，所述下层转子在所述下层压电马达组的驱动下沿逆时针方向转动。本发明采用两组分布在不同驱动半径上的压电马达反向运动，形成差动位移，从而实现运动分辨率的提升。

Description

一种驻波式压电马达运动分辨率提升装置和方法

技术领域

本发明属于精密致动技术领域，具体涉及一种驻波式压电马达运动分辨率提升装置和方法。

背景技术

压电马达是一种新型的微致动器，其原理是利用压电陶瓷的逆压电效应和弹性体的超声振动，将微观变形通过共振放大和机电耦合转换成动子或滑块的宏观运动。由于压电马达具有低速、高分辨率等优点，且无信号输入时可依靠静摩擦力使马达输出轴保持自锁，因此在精密机械和自动控制领域中得到了良好的应用。根据其驱动机理可分为行波型、声表面波型和驻波型。驻波型压电马达通过电压控制压电材料的弯曲模态，在驱动端形成空间椭圆轨迹，拨动转子运动。具有设计灵活，结构简单，易于小型化等优点，近年来被广泛应用在精密气浮平台、微型手术机器人和光刻机等领域。

超精密运动平台尤其是气浮平台应用压电电机作为运动组件时，是利用压电马达驱动头拨动陶瓷转子实现陶转子运动的。图1所示为典型驻波式压电马达驱动转台方案。两台压电马达1、2对称安装在转子圆周两侧，调节两套马达位置使驱动头法向压紧转子。当施加一定的电压信号于压电马达内部的压电驱动基体时，基体带动驱动头作空间椭圆运动，驱动头拨动转子产生回转运动。通过控制电压信号大小可以调节拨动速度，进而控制转子转速，电压信号消失压电马达随即停止动作，转子仍受到驱动头的法向压力，从而保持静止状态。压电马达空间椭圆回转一周代表一个运动步长，椭圆长轴长度即压电马达能实现的最小运动分辨率。忽略摩擦滑移和损耗，压电马达的运动分辨率即运动平台的运动分辨率。目前，国内海德星，以色列的Nanomotion等单位均成功研制出了商用驻波式压电马达。海德星HF系列线性压电马达步进分辨率可达50nm。Nanomotion HR系列超声电机目前是业内性能最为优越的驻波式的压电马达，在AC驱动模式下，其步进分辨率可达50nm，在DC驱动模式下，其步进分辨率达到10nm。国内产品在驱动原理的限制下，分辨率达到50nm后无法进一步提升，极大的限制了国产压电马达在超精密运动领域的应用。

现有压电马达驱动原理决定了其最小的运动分辨率为一定值，受压电马达材料、质量以及制造工艺限制，运动分辨率难以进一步提升。

发明内容

为了解决现有国产压电马达应用受限的问题，本发明提供了一种驻波式压电马达运动分辨率提升装置。本发明采用两组分布在不同驱动半径上的压电马达反向运动，形成差动位移，从而实现运动分辨率的提升。

本发明通过下述技术方案实现：

一种驻波式压电马达运动分辨率提升装置，包括上层驱动结构和下层驱动结构；

所述上层驱动结构包括上层转子、沿上层转子圆心对称布置于所述上层转子圆周侧的上层压电马达组；所述下层驱动结构包括下层转子、沿下层转子圆心对称布置于所述下层转子圆周侧的下层压电马达组，所述上层压电马达组和下层压电马达组均包括N个压电马达，其中，N为大于等于2的正整数；

所述上层转子和下层转子同轴设置，且所述上层转子在所述上层压电马达组的驱动下沿顺时针方向转动，所述下层转子在所述下层压电马达组的驱动下沿逆时针方向转动。

优选的，本发明的上层转子和下层转子构成双层一体式同轴结构。

优选的，本发明的上层转子和下层转子构成双层分离式同轴结构。

优选的，本发明的2N个所述压电马达错层均布于转子圆周侧。

优选的，本发明的N的取值为3，6个压电马达错层均布于转子圆周侧。

优选的，本发明的压电马达步进分辨率为λ；

所述上层转子驱动半径为R₂，角度步进分辨率为

所述下层转子驱动半径为R₁，角度步进分辨率为

另一方面，本发明还提出了基于上述装置实现的运动分辨率提升方法，包括：

控制所述上层压电马达组工作、所述下层压电马达组不工作，且所述上层压电马达组的驱动力大于所述下层压电马达组的摩擦阻力，则在一个位移指令下，所述上层压电马达组带动上层转子顺时针转动一个运动步长

控制所述上层压电马达组不工作、所述下层压电马达组工作，且所述下层压电马达组的驱动力大于所述上层压电马达组的摩擦阻力，则在一个位移指令下，所述下层压电马达组带动下层转子逆时针转动一个运动步长

得到运动分辨率为：

其中，λ为压电马达步进分辨率，R₁为下层转子的驱动半径，R₂为上层转子的驱动半径。

优选的，本发明通过调整所述上层转子和下层转子的驱动半径，即可实现转子圆盘运动分辨率的提升。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明通过采用分布在不同驱动半径上的压电马达反向运动，形成差动位移，从而实现运动分辨率的提升。

本发明适用范围广，可被应用于高分辨率精密定位的工作场合。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为典型驻波压电马达驱动结构示意图。

图2为本发明的第一实施例的驻波压电马达驱动结构示意图。

图3为本发明的f_λ随R₁变化曲线。

图4为本发明的第二实施例的驻波压电马达驱动结构示意图。

图5为本发明的第三实施例的驻波压电马达驱动结构示意图。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

本实施例提供了一种驻波式压电马达运动分辨率提升装置，本实施例的压电马达运动分辨率提升装置利用两组分布在不同驱动半径上的压电马达反向运动，形成差动位移，从而实现运动分辨率的提升。

如图2所示，有别于传统压电马达驱动布局方式，本实施例的装置包括上层驱动结构和下层驱动结构；其中，上层驱动结构包括上层转子、沿上层转子圆周侧均匀安装的上层压电马达组；下层驱动结构包括下层转子、沿下层转子圆周侧均匀安装的下层压电马达组；上层转子和下层转子同轴设置，且上层转子在上层压电马达组的驱动下沿顺时针方向转动，下层转子在下层压电马达组的驱动下沿逆时针方向转动。

本实施例的上层压电马达组包括沿上层转子圆周侧面均匀布置的压电马达2和压电马达4(或者压电马达2和压电马达4以上层转子圆心对称布置)，下层压电马达组包括沿下层转子圆周侧面均匀布置的压电马达1和压电马达3(或者压电马达1和压电马达3以下层转子圆心对称布置)。

本实施例的上层转子和下层转子采用双层一体式同轴结构，如图2所示。在另外的优先实施方式中，上层转子和下层转子也可以是双层分离式同轴结构。

本实施例的压电马达步进分辨率为λ，四套压电马达错层布置，其中压电马达1和压电马达3对称安装在下层位置，驱动半径为R₁，角度步进分辨率为

压电马达2和压电马达4对称安装在上层位置，驱动半径为R₂，角度步进分辨率为

本实施例利用分布在不同驱动半径上的压电马达的反向运动，形成差动位移，从而实现运动分辨率的提升。本实施例基于上述装置实现提升运动分辨率过程为：

首先，上层压电马达组上电，下层压电马达组断电，上层压电马达组驱动力大于下层压电马达组的摩擦阻力，在一个位移指令下，带动转子正向运动一个运动步长

然后，上层压电马达组断电，下层压电马达组上电，下层压电马达组驱动力大于上层压电马达组的摩擦阻力反向运动一个步长

通过上述两步运动，最终实现的运动分辨率为：

驱动直径R₁,R₂为可调节量，为简化分析，固定R₂，f_λ随R₁变化的曲线如下图3所示，当R₁无限趋近于R₂时，

因此，理论而言，本实施例可以通过调节R₁,R₂，

可以接近任意接近无穷小，实现动子圆盘运动分辨率的提升，可被应用于高分辨率精密定位的工作场合。

实施例2

本实施例与上述实施例1的区别仅在于，本实施例的四套压电马达错层均布于圆周侧(即相邻两套压电马达，其中一个布置于上层转子侧，另一个布置于下层转子侧)，如图4所示。

本实施例的压电马达步进分辨率λ＝50nm，压电马达1和压电马达3对称安装在下层位置，驱动直径为R₁＝280mm，角度步进分辨率为

压电马达2和压电马达4对称安装在上层位置，驱动直径为R₂＝200mm，角度步进分辨率为

首先上层压电马达2和压电马达4上电，下层压电马达1和压电马达3断电，在一个位移指令下，带动转子正向运动一个运动步长

然后上层压电马达2和压电马达4断电，下层压电马达1和压电马达3上电，下层压电马达驱动转子反向运动一个步长

最终实现转子的运动分辨率

较原有角度分辨率1.78×10^-7rad提升了1倍，较原有角度分辨率2.5×10^-7rad提升了两倍。

实施例3

本实施例与上述实施例2的区别仅包括，本实施例的采用六套压电马达错层均布于圆周侧，即上层压电马达组包括3套压电马达(压电马达2、压电马达4和压电马达6)，下层压电马达组包括3套压电马达(压电马达1、压电马达3和压电马达5)，相邻的两套压电马达，其中一套布置于上层转子侧，另一套布置于下层转子侧，如图5所示。

本实施例的压电马达步进分辨率λ＝50nm，压电马达1、压电马达3和压电马达5均布安装在下层转子圆周位置，驱动直径为R₁＝130mm，角度步进分辨率为

压电马达2、压电马达4和压电马达6均布安装在上层转子圆周位置，驱动直径为R₂＝100mm，角度步进分辨率为

首先上层压电马达2、压电马达4和压电马达6上电，下层压电马达1、压电马达3和压电马达5断电，在一个位移指令下，带动转子正向运动一个运动步长

然后下层压电马达1、压电马达3和压电马达5上电，上层压电马达2、压电马达4和压电马达6断电，下层压电马达驱动转子反向运动一个步长

最终实现转子的运动分辨率

较原有角度分辨率5×10^-7rad提升了3倍多，较原有角度分辨率3.85×10^-7rad提升了2倍多。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。