CN113630036B - 一种驻波型压电超声电机运动分辨率提升装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驻波型压电超声电机运动分辨率提升装置和方法，包括模式切换装置；所述模式切换装置包括夹持器、基座、滑座和导向销；所述基座固定安装在稳定结构上，所述导向销固定连接在所述基座内，所述滑座安装在所述基座内且能够沿所述导向销轴向方向自由移动；压电超声电机安装在所述滑座上；所述夹持器用于实现所述滑座的固定与释放，从而实现所述压电超声电机的运动状态切换，以提高所述压电超声电机的运动分辨率。本发明通过引入分辨率切换装置，实现驻波型压电超声电机粗定位、精定位运动模式转换，有效提高***运动分辨率。

Description

一种驻波型压电超声电机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，具体涉及一种驻波型压电超声电机运动分 辨率提升装置和方法。

背景技术

驻波型压电超声电机具有结构简单、低振动、无电磁噪声、定位精度高、 动态响应快、易于小型化等优点，在角度计量、定位平台、光刻等精密、超精 密制造及检测领域应用广泛。驻波型压电超声电机结构如图1所示，通过向电 极片上施加正交的正弦波使电机定子同时发生纵向振动和弯曲振动，在驱动足 位置处合成为椭圆运动，运动时驱动足与压电陶瓷材料制成的转子接触，通过 摩擦力将电极片的振动转化为直线或圆运动轨迹。

目前，以色列Nanomotion公司生产的驻波型压电超声电机运动分辨率可达 10nm、国内海德星公司的同类型产品标称运动分辨率为50nm。产品应用方面， 哈尔滨工业大学利用Nanomotion驻波型压电超声电机研制出晶圆处理预对准系 统，运动分辨率可达0.4″。中国工程物理研究院机械制造工艺研究所利用 Nanomotion HR系列驻波型压电超声电机研制的超高精度测角转台测角重复性 可达0.03″。《一种惯性式压电超声电机》(CN201711476769.0)发明了一种可 调结构，使超声电机动子和定子间预压力可手动调整。《一种层叠式压电陶瓷的 直线超声电机》(CN211127622U)通过增加立板和U型支撑板、挡板等结构， 将双层压电陶瓷集成于电机内，提高了电机压电陶瓷动子的运动效率。

运动分辨率是***定位精度、重复定位精度的直接影响因素和先决条件。 上述精密、超精密仪器设备均使用国外进口高运动分辨率驻波型压电超声电机， 上述发明及实用新型利用的是压电马达自身运动分辨率。目前，国产驻波型压 电超声电机最高能够达到50nm运动分辨率，限制了其在精密、超精密场合的使 用。

发明内容

为了解决现有国产驻波型压电超声电机应用受限的技术问题，本发明提供 了一种驻波型压电超声电机运动分辨率提升装置。本发明通过引入分辨率切换 装置，实现驻波型压电超声电机粗定位、精定位运动模式转换，有效提高*** 运动分辨率。

本发明通过下述技术方案实现：

一种驻波型压电超声电机运动分辨率提升装置，包括模式切换装置；

所述模式切换装置包括夹持器、基座、滑座和导向销；

所述基座固定安装在稳定结构上，所述导向销固定连接在所述基座内，所 述滑座安装在所述基座内且能够沿所述导向销轴向方向自由移动；

压电超声电机安装在所述滑座上；

所述夹持器用于实现所述滑座的固定与释放，从而实现所述压电超声电机 的运动状态切换，以提高所述压电超声电机的运动分辨率。

优选的，本发明的模式切换装置还包括弹性元件；

所述基座内部沿所述导向销轴向方向的两侧壁分别开设有2个开孔，在每 个开孔内设置一个所述弹性元件，所述弹性元件的一端与所述滑座端面接触， 所述弹性元件的另一端通过顶丝封堵。

优选的，本发明的弹性元件采用弹簧。

优选的，本发明的夹持器采用气动装置，所述夹持器内部装有两个伸缩气 缸；

气路接通后所述气缸伸出抵住所述滑座，且所述气缸产生的摩擦力大于所 述压电超声电机的摩擦驱动力，使压电超声电机运动时，所述滑座无法沿所述 导向销移动，则所述滑座与所述基座不发生相对移动；

气路断开后，所述气缸缩回，所述滑座与所述夹持器分离，所述滑座可沿 所述导向销轴向方向滑动，则所述滑座与所述基座形成相对运动。

优选的，本发明的夹持器采用电磁装置；

所述夹持器内装有电磁铁，所述滑座采用铁磁性材料制成；

电磁铁通电后，所述夹持器将所述滑座吸合，且所示电磁铁对所述滑座的 吸引力大于所述压电超声电机的摩擦驱动力，则所述压电超声电机运动时，所 述滑座与所述基座不发生相对移动；

电磁铁断电后，所述夹持器与所述滑座分离，所述滑座可沿所述导向销轴 向方向滑动，则所述滑座与所述基座形成相对运动。

优选的，本发明还包括控制装置；

所述控制装置用于控制所述夹持器实现运动状态切换。

另一方面，本发明还提出了基于上述提升装置实现运动分辨率提升的方法， 包括：

获取压电超声电机的压电陶瓷转子的运动情况；

判断所述压电陶瓷转子当前运动位置与目标位置之间的距离是否大于预设 值；

如果是，则控制所述夹持器执行粗定位运动模式：即控制所述夹持器固定 所述滑座，使得所述压电超声电机运动时，所述滑座与所述基座不发生相对移 动，粗定位运动时，所述压电超声电机自身分辨率为50nm；

否则，控制所述夹持器执行精定位运动模式，使得所述压电超声电机运动 时，所述滑座与所述基座发生相对移动同时挤压弹性元件，则所述滑座的位移 变化量为

计算得到所述压电陶瓷转子实际运动分辨率为：

σ＝50nm-σ₁。

优选的，本发明通过更换不同刚度的弹性元件来实现所述滑座位移变化量 的调整，从而实现运动分辨率的提升。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明通过采用分辨率切换装置，实现对驻波型压电超声电机的安装调整， 从而提高驻波型压电超声电机的运动分辨率。

本发明不仅可以用来调节驻波型超声电机，也可以拓展到其他需要提升于 东分辨率的行波型或表面波型压电超声电机领域。

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为传统驻波型压电超声电机结构示意图。

图2为本发明的切换装置结构示意图。

图3为本发明的驻波型压电超声电机运动分辨率提升装置结构示意图。

图4为本发明的气动控制流程示意图。

图5为本发明的电动控制流程示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-夹持器，2-基座，3-滑座，4-弹性元件，5-顶丝，6-导向销，7-压电超声电 机，8-驱动足，9-接地螺钉，10-压电陶瓷转子。

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1

本实施例提供了一种驻波型压电超声电机运动分辨率提升装置，

如图2-3所示，本实施例的提升装置包括模式切换装置。

其中，该模式切换装置主要由夹持器1、基座2、滑座3和导向销6构成。

基座2固定安装于运动***稳定结构上，导向销6固定连接在基座2内， 滑座3可在基座2内沿导向销6轴向方向自由移动；驻波型压电超声电机7安 装在滑座3上；夹持器1用于实现滑座3的固定与释放，从而实现运动状态切 换，以实现驻波型压电超声电机运动分辨率。

本实施例的模式切换装置还包括弹性元件4；基座2内部沿导向销6轴向方 向的两侧壁分别开设有2个开孔；在每个开孔内设置一个弹性元件4，该弹性元 件4的一端与滑座3的端面接触(即滑座3沿导向销6轴向方向的两个自由端 面分别与2个弹性元件4接触)，该弹性元件4的另一端通过顶丝5封堵。

本实施例中的基座2两侧壁上可对称设置4个开孔。

本实施例中，弹性元件4可采用弹簧，也可以采用其他弹性元件。

本实施例的提升装置还包括控制装置，该控制装置可采用控制器、计算机 设备等用于实现整体装置的自动化控制，例如，获取电机7的运动状态信息， 并发出控制命令控制夹持器1实现运动状态切换等。

本实施例中，驻波型压电超声电机7在连接时需将接地螺钉9接地。

本实施例的工作原理为：

通过在传统驻波型压电超声电机固定安装模式基础上引入滑动副结构(基 座2、滑座3和导向销6构成)，粗定位时滑动副处于锁紧状态，电机以其固有 运动步长运动；运动至设定的目标位置误差范围内时，滑动副锁紧装置自动松 开，驱动足与压电陶瓷动子接触时，摩擦驱动力传导至电机滑座，转化为对弹 性元件压力，引起弹性元件发生形变，带动滑动副发生一小段位移，使电机在 驱动压电陶瓷转子运动的同时驱动足向转子运动相反方向发生位移，从而使压 电陶瓷转子实际运动步长减小，进而提升***运动分辨率。

弹簧远端安装有顶丝，用于调节弹簧压缩量，根据滑座位移变化 量σ₀与所受作用力成正比，与弹簧刚度系数成反比，因此在摩擦驱动力恒定的 前提下，可通过更换不同刚度系数的弹簧来改变电机滑座的位移量，实现运动 分辨率柔性调节，夹持器中部位置装有横向导向销，限制电机与滑座只能沿转 子运动方向反向移动。

实施例2

本实施例对上述实施例1的夹持器1作了进一步优化设计：

本实施例的夹持器1采用气动装置，夹持器1内部装有两个伸缩气缸，通 气后气缸伸出抵住滑座3，气缸产生的摩擦力大于压电超声电机7的摩擦驱动力， 使压电超声电机7的驱动足8和转子10运动时，滑座3无法沿导向销6移动， 则滑座3与基座2不会发生相对移动；当气路断开时，气缸缩回，滑座3与夹 持器1分离，滑座3可沿导向销6轴向方向滑动，则滑座3与基座2形成相对 运动。

如图4所示，本实施例的装置工作过程如下：

上电开始执行运动指令，并通过光栅等反馈器件(传感器件)自动获取信 号并判断压电陶瓷转子10的运动情况；

当压电陶瓷转子10当前运动位置与目标位置距离大于预设值(设定值)时， 则控制夹持器1执行粗定位运动模式，气路接通，夹持器1将滑座3固定，驱 动摩擦力传递至滑座3时，滑座3的位移变化量为0，因此粗定位运动时始终保 持电机自身分辨率50nm；

当压电陶瓷转子10当前运动位置与目标位置距离小于等于预设值时，则控 制夹持器1执行精定位运动模式，气路断开，夹持器1与滑座3分离，滑座3 可沿导向销6方向移动，***运动时摩擦驱动力传递至滑座3，滑座3自身产生 位移变化同时挤压弹簧，滑座3位移变化量选用弹簧刚度k＝175N·μm^-1， 则滑座3位移变化量压电陶瓷转子10实际运动 步长为驻波型压电超声电机7运动步长与滑座3位移变化量之差， σ＝50nm-σ₁＝10n。

本实施例可通过更换不同刚度的弹簧4来改变滑座3每个周期的移动量， 从而实现运动分辨率调节，每次调整完可通过上位机观察实际运动步长。经过 调整，运动步长由50nm缩短至10nm，精定位模式下运动分辨率显著提升。

实施例3

本实施例对上述实施例1的夹持器1和滑座3作了进一步优化设计：

本实施例的夹持器1采用电磁装置，夹持器1内装有电磁铁，滑座3采用 铁磁性材料制成，当电磁铁通电时，将滑座3吸合，电磁铁对滑座3的吸引力 大于电机摩擦驱动力，使电机运动时滑座3无法与基座2发生相对移动。电磁 铁断电后，夹持器1与滑座3分离，滑座3可沿导向销6轴向方向滑动，则滑 座3与基座2形成相对运动。

如图5所示，本实施例的装置工作过程如下：

上电开始执行运动指令，并通过光栅等反馈器件(传感器件)自动获取信 号并判断压电陶瓷转子10的运动情况；

当压电陶瓷转子10当前运动位置与目标位置距离大于预设值(设定值)时， 则控制夹持器1执行粗定位运动模式，电磁铁自动通电，将滑座3吸合，电磁 铁对滑座3的吸引力大于电机摩擦驱动力，使***运动时滑座3无法与基座2 发生相对移动，粗定位运动时始终保持电机自身分辨率50nm；

当压电陶瓷转子10当前运动位置与目标位置距离小于等于预设值时，则控 制夹持器1执行精定位运动模式，电磁铁失电，夹持器1与滑座3分离，滑座3 可沿导向销6方向移动，***运动时摩擦驱动力传递至滑座3，滑座3自身产生 位移变化同时挤压弹簧，滑座3位移变化量选用超声电机摩擦驱动力为 7N、弹簧刚度k＝280N·μm^-1，则滑座3位移变化量/>压电陶瓷转子10实际运动步长为驻波型压电超声电机7运动步长与滑座3位移 变化量之差，σ＝50nm-σ₁＝25nm。

本实施例可通过预先计算更换不同刚度的弹簧来实现滑座3位移量的调整， 从而实现运动分辨率的提升。

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。

Claims (7)

1.一种驻波型压电超声电机运动分辨率提升装置，其特征在于，包括模式切换装置；

所述模式切换装置包括夹持器(1)、基座(2)、滑座(3)和导向销(6)；

所述基座(2)固定安装在稳定结构上，所述导向销(6)固定连接在所述基座(2)内，所述滑座(3)安装在所述基座(2)内且能够沿所述导向销(6)轴向方向自由移动；

压电超声电机(7)安装在所述滑座(3)上；

所述夹持器(1)用于实现所述滑座(3)的固定与释放，从而实现所述压电超声电机(7)的运动状态切换，以提高所述压电超声电机(7)的运动分辨率；

所述运动分辨率提升装置的工作过程为：

获取压电超声电机(7)的压电陶瓷转子(10)的运动情况；

判断所述压电陶瓷转子(10)当前运动位置与目标位置之间的距离是否大于预设值；

如果是，则控制所述夹持器(1)执行粗定位运动模式：即控制所述夹持器(1)固定所述滑座(3)，使得所述压电超声电机(7)运动时，所述滑座(3)与所述基座(2)不发生相对移动，粗定位运动时，所述压电超声电机(7)自身分辨率为50nm；

否则，控制所述夹持器(1)执行精定位运动模式，使得所述压电超声电机(7)运动时，所述滑座(3)与所述基座(2)发生相对移动同时挤压弹性元件(4)，则所述滑座(3)的位移变化量为

计算得到所述压电陶瓷转子(10)实际运动分辨率为：

σ＝50nm-σ₁。

2.根据权利要求1所述的一种驻波型压电超声电机运动分辨率提升装置，其特征在于，所述模式切换装置还包括弹性元件(4)；

所述基座(2)内部沿所述导向销(6)轴向方向的两侧壁分别开设有2个开孔，在每个开孔内设置一个所述弹性元件(4)，所述弹性元件(4)的一端与所述滑座(3)端面接触，所述弹性元件(4)的另一端通过顶丝(5)封堵。

3.根据权利要求2所述的一种驻波型压电超声电机运动分辨率提升装置，其特征在于，所述弹性元件(4)采用弹簧。

4.根据权利要求1所述的一种驻波型压电超声电机运动分辨率提升装置，其特征在于，所述夹持器(1)采用气动装置，所述夹持器(1)内部装有两个伸缩气缸；

气路接通后所述气缸伸出抵住所述滑座(3)，且所述气缸产生的摩擦力大于所述压电超声电机(7)的摩擦驱动力，使压电超声电机(7)运动时，所述滑座(3)无法沿所述导向销(6)移动，则所述滑座(3)与所述基座(2)不发生相对移动；

气路断开后，所述气缸缩回，所述滑座(3)与所述夹持器(1)分离，所述滑座(3)可沿所述导向销(6)轴向方向滑动，则所述滑座(3)与所述基座(2)形成相对运动。

5.根据权利要求1所述的一种驻波型压电超声电机运动分辨率提升装置，其特征在于，所述夹持器(1)采用电磁装置；

所述夹持器(1)内装有电磁铁，所述滑座(3)采用铁磁性材料制成；

电磁铁通电后，所述夹持器(1)将所述滑座(3)吸合，且所示电磁铁对所述滑座(3)的吸引力大于所述压电超声电机(7)的摩擦驱动力，则所述压电超声电机(7)运动时，所述滑座(3)与所述基座(2)不发生相对移动；

电磁铁断电后，所述夹持器(1)与所述滑座(3)分离，所述滑座(3)可沿所述导向销(6)轴向方向滑动，则所述滑座(3)与所述基座(2)形成相对运动。

6.根据权利要求1所述的一种驻波型压电超声电机运动分辨率提升装置，其特征在于，还包括控制装置；

所述控制装置用于控制所述夹持器(1)实现运动状态切换。

7.根据权利要求1所述的一种驻波型压电超声电机运动分辨率提升装置，其特征在于，通过更换不同刚度的弹性元件(4)来实现所述滑座(3)位移变化量的调整，从而实现运动分辨率的提升。