[发明专利]超声电机驱动的二维直线运动平台及微动方法

说明书

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。

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。