1 精密工作臺(tái)特點(diǎn)

　　精密工作臺(tái)是實(shí)現(xiàn)平面X—Y坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的典型關(guān)鍵部件。近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體光刻、微型機(jī)械、精密測(cè)量、超精密加工、微型裝配和納米技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)精密工作臺(tái)的需求量不斷增加，對(duì)工作臺(tái)部件的精度和運(yùn)動(dòng)速度也提出了愈來(lái)愈高的要求[1]。
　　傳統(tǒng)的精密工作臺(tái)一般是由伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠推動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，要經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。精度越高的平臺(tái)對(duì)滾珠絲杠的加工精度和伺服電機(jī)的控制精度要求越高[2]。
　　利用宏（粗）、微（細(xì)）兩級(jí)定位系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的大行程精密工作臺(tái)的特點(diǎn)主要是：
　?。?）微動(dòng)定位系統(tǒng)一般都是采用壓電作動(dòng)器或者壓電作動(dòng)器與柔性鉸鏈技術(shù)相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；
　?。?）宏（粗）定位系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)一般采用交流或直流伺服電機(jī)；
　?。?）系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)較龐雜，存在較多的中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)；
　　（4）控制系統(tǒng)一般都較復(fù)雜，例如采用FUZZY控制器實(shí)現(xiàn)宏（粗）定位，采用PI控制實(shí)現(xiàn)微定位，算法程序較復(fù)雜，控制系統(tǒng)成本高，所以系統(tǒng)響應(yīng)一般都較慢，近秒級(jí)；
　　所以，要實(shí)現(xiàn)大行程內(nèi)亞微米級(jí)甚至納米級(jí)的定位，常規(guī)的驅(qū)動(dòng)方式就顯得無(wú)能為力了。由于絲杠本身的螺紋空程和摩擦的存在，定位精度的進(jìn)一步提高受到限制；同時(shí)，這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不可避免地存在較多的中間運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和彈性變形，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也較差。
　　為此，一種大行程、定位精密、快速響應(yīng)的工作臺(tái)的研究吸引了許多科研工作者的注意力。直線(xiàn)超聲電機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)之一就是可以直接輸出直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)而不需要轉(zhuǎn)換裝置，且能夠做到斷電自鎖，因此，很自然地被用于線(xiàn)性定位。

2 超聲波壓電陶瓷電機(jī)平臺(tái)

　　最早將直線(xiàn)超聲電機(jī)用于精密工作平臺(tái)的國(guó)家是日本。1991年， 日本Kazumasa研制了一種利用π型直線(xiàn)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密X-Y工作臺(tái)[3]。該工作臺(tái)尺寸為208×208×56mm³ ，最大速度為30 mm／s，最大輸出力為600 gf。在驅(qū)動(dòng)頻率為90 kHz時(shí)，位置精度可達(dá)0．01μm。
　　日本Kyocera公司生產(chǎn)的X —y精密定位裝置系列產(chǎn)品于2000年獲得第42屆年度“十佳最新產(chǎn)品”稱(chēng)號(hào)，被認(rèn)為是在解決新一代超級(jí)集成電路所面臨的問(wèn)題上取得的重大突破[4]。由于該產(chǎn)品能提供超精細(xì)微處理技術(shù)，也為許多高新技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇。
　　這個(gè)系列產(chǎn)品主要包括：超低速型和高速型。超低速型的上作速度最低可以達(dá)到10nm／s，定位精度達(dá)到或超過(guò)10nm，位置分辨率為1nm或更高；高速型的運(yùn)動(dòng)速度為200mm／s或更高，速度波動(dòng)小于1％，定位精度在±0．1μm。超低速類(lèi)型可用于微型機(jī)械加工設(shè)備、表面分析設(shè)備和新一代高密度存儲(chǔ)器的生產(chǎn)設(shè)備，高速型可用于電子束發(fā)射器、電子掃描顯微鏡或探傷設(shè)備。
　　德國(guó)著名的PI公司在不斷推出新型壓電陶瓷作動(dòng)器的同時(shí)，還致力于超聲電機(jī)的研制。PI公司推出的直線(xiàn)超聲電機(jī)精密工作平臺(tái)的特點(diǎn)是：曾疊式壓電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)；一體化驅(qū)動(dòng)控制器；可承受10G的加速度；自鎖特性，無(wú)伺服抖動(dòng)現(xiàn)象；真空工作平臺(tái)可在10—8hPa的狀態(tài)下工作；200004～時(shí)平均無(wú)故障工作時(shí)問(wèn)[5]。傳統(tǒng)定位系統(tǒng)由于難以克服摩擦的問(wèn)題只能達(dá)到0．5μm～0.1μm的可重復(fù)性，而PI公司的柔性納米定位系統(tǒng)石達(dá)到納米和亞納米的分辨率、可重復(fù)性和運(yùn)動(dòng)平坦度，可用于顯微技術(shù)、納米定位、計(jì)量科學(xué)、醫(yī)療分析、微操作、半導(dǎo)體制造等相關(guān)設(shè)備中。
　　美國(guó)已開(kāi)發(fā)出了系列直線(xiàn)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密工作平臺(tái)。美國(guó)北卡大學(xué)的直線(xiàn)定位裝置由直線(xiàn)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)粗定位，使工作臺(tái)走到大致位置，然后，由直線(xiàn)超聲電機(jī)精確定位，使工作臺(tái)走到指令預(yù)先設(shè)定的位置。資料顯示，這種電機(jī)的定位誤差不超過(guò)50Hm[6]，精度可以相當(dāng)高。但是，這個(gè)定位裝置是傳統(tǒng)電磁電機(jī)與超聲電機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)品，并沒(méi)有完全擺脫傳統(tǒng)電機(jī)所帶來(lái)的約束，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還存在一些限制條件，很難實(shí)現(xiàn)小型化，也不能用于磁場(chǎng)強(qiáng)度大的場(chǎng)合。

　　美國(guó)Nanomotion公司的精密壓電陶瓷電機(jī)采用超聲波駐波原理，具有優(yōu)異的低速平穩(wěn)性和動(dòng)態(tài)特性。同一臺(tái)電機(jī)可直接驅(qū)動(dòng)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電機(jī)內(nèi)部無(wú)磁場(chǎng)，無(wú)運(yùn)動(dòng)元件，結(jié)構(gòu)小巧，能提供無(wú)限的行程 ]。應(yīng)用場(chǎng)合主要有半導(dǎo)體和平板設(shè)備，一般環(huán)境到超真空環(huán)境，光纖制造和動(dòng)力元件，生物醫(yī)學(xué)和制藥業(yè)，直線(xiàn)平臺(tái)和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（X，Y，0），顯微鏡，印刷機(jī)和繪圖儀，精密掃描，真空應(yīng)用等系統(tǒng)。

3 采用超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密直線(xiàn)平臺(tái)特點(diǎn)

　　采用超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密直線(xiàn)平臺(tái)，無(wú)論是高速還是超低速型，都具有以下特點(diǎn)：
　?。?）結(jié)構(gòu)緊湊。由于傳統(tǒng)電磁電機(jī)具有電磁效應(yīng)，為了避免電磁效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的不利影響，必須將電機(jī)與系統(tǒng)相隔離，這勢(shì)必增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，而超聲電機(jī)不產(chǎn)生磁場(chǎng)，無(wú)需增加類(lèi)似結(jié)構(gòu)，大大降低了系統(tǒng)的整體尺寸；
　?。?）高定位精度。由超聲電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)與傳統(tǒng)電磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，定位快速而又準(zhǔn)確；
　　（3）高可靠性。電機(jī)的陶瓷材料、導(dǎo)軌、導(dǎo)軌材料和電機(jī)控制系統(tǒng)都經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)的可靠性。
　　綜上所述，直線(xiàn)型超聲電機(jī)在精密定位中有著決定性的作用。直線(xiàn)超聲電機(jī)是一種很有發(fā)展前途的、理想的高科技直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器?？梢灶A(yù)言，不久的將來(lái)，直線(xiàn)型超聲電機(jī)將以其明顯的優(yōu)勢(shì)，在自動(dòng)控制、精密定位等領(lǐng)域?qū)@得成功的應(yīng)用?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的納米級(jí)定位精度的工作平臺(tái)基本上幾乎全是以直線(xiàn)超聲電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，而市場(chǎng)上可提供的精密直線(xiàn)超聲電機(jī)以及采用其驅(qū)動(dòng)的精密定位平臺(tái)基本上全是國(guó)外的，我國(guó)在這方面的工作還很不夠，在知識(shí)產(chǎn)權(quán)、專(zhuān)利保護(hù)方面，我們只有通過(guò)自己的努力，才能擁有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的精密直線(xiàn)定位系統(tǒng)，為我國(guó)的裝備工業(yè)提供現(xiàn)代化的基礎(chǔ)裝備。