超声波电机驱动的精密位移机构

精密位移机构既是重要的运动执行元件，也是对工艺系统误差进行动态、静态补偿的元件。目前常见的精密位移机构一般利用弹性变形、机械传动、电磁力和压电陶瓷、电致伸缩和磁致伸缩等方式实现，这些方法都难以同时具有高频响、大行程、高精度的特点，有的还需中间的传动机构，结构复杂，精度难以提高，存在电磁干扰等问题。  

 
     为了解决上述问题，采用全新的驱动器——超声波电机来驱动位移机构。超声波电机原理和结构完全不同于传统电磁式电机，没有绕阻和磁场部件，不是通过电磁相互作用来传递能量，而是直接由压电陶瓷材料实现机电能量转换的新型电机，其结构简单，具有单位体积出力大、响应性能优良等特点。超声波电机位移机构主要由控制系统、超声波电机和附着有摩擦材料的精密滑台组成。控制系统是根据需求对超声波电机提供高频功率源。超声波电机是由压电驱动体和弹性振动体组成，是利用压电陶瓷的逆压电效应直接将电能转变成机械能，其工作频率一般在20 kHz以上。精密滑台根据实际需要可以是直线滑台或旋转台。直线位移机构是由超声波电机的压电振子在预压力作用下保持与工作台端面的摩擦片接触，借助摩擦力推动工作台运动。旋转位移机构是由超声波电机的压电振子在预压力作用下保持与旋转台的环形摩擦盘接触，借助摩擦力驱动圆工作台旋转运动。压电振子压着摩擦片给位移机构提供一个位置保持力矩。超声波电机驱动的位移机构可以达到很高的定位精度，直线型精度达到10纳米级，旋转型精度达到秒级。其行程在理论上是无限的，只与机械结构有关，可根据实际需要设计位移机构的行程。其灵敏度高，频率响应最低可达到20 kHz，即应答时间为50 µs，基本无迟滞现象，可以实时响应。

      超声波电机驱动的位移机构具有优异的低速平稳性，其速度的动态变化范围宽广，可实现10~250 mm/s；其结构简单，只有驱动部件和运动部件，没有复杂的传动系统；易与计算机接口，给该种位移机构配用合适的控制系统，可用于超精密加工误差的动、静态补偿，可作为超精密加工的微进给机构，还可用于低速大转矩非连续运动机械、机器人等。