張鐵民（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州510642）

宏/微雙重驅(qū)動的新型直線電機(jī)研究*

張鐵民
（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州510642）

大行程、高精度，同時易于小型化的移動機(jī)構(gòu)是先進(jìn)制造業(yè)等領(lǐng)域要解決的關(guān)鍵問題之一，綜述了現(xiàn)有宏/微雙重驅(qū)動機(jī)構(gòu)和直線超聲電機(jī)的研究進(jìn)展和存在問題，提出了一種宏微雙重驅(qū)動新型直線壓電電機(jī)，使其既能與超聲電機(jī)一樣，直接驅(qū)動、響應(yīng)快、不受磁場干擾實現(xiàn)宏驅(qū)動；又能與微驅(qū)動一樣，精密定位，實現(xiàn)微驅(qū)動，并把宏微運(yùn)動結(jié)合起來，在一個電機(jī)上同時實現(xiàn)宏微驅(qū)動，通過有限元分析軟件，計算復(fù)合振子的振動模態(tài)和靜態(tài)變形，分析了宏微驅(qū)動原理，給出了宏微驅(qū)動新型直線電機(jī)驅(qū)動電源的設(shè)計方案。

宏/微雙重驅(qū)動；直線電機(jī)；超聲電機(jī)；微驅(qū)動

隨著IC（Integrated circuit）制造中芯片光刻與封裝、MEMS（Micro-Electromechanical Sys?tem）制造中的器件封裝與組裝、生物醫(yī)學(xué)工程中的高速點樣移液、高速精密加工及高速掃描檢測等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對定位系統(tǒng)的行程、速度、加速度和精度提出了更高的要求，高速高精度定位系統(tǒng)的研究應(yīng)運(yùn)而生。然而，定位精度與系統(tǒng)運(yùn)動速度、行程的提高相互矛盾，高精度定位希望機(jī)構(gòu)運(yùn)動平緩，而高生產(chǎn)率又希望系統(tǒng)高速大行程運(yùn)動并高速啟停，即高速大行程與高精度相互矛盾。如何較好地解決這些矛盾，實現(xiàn)大行程、高速機(jī)械運(yùn)動系統(tǒng)的精密定位已成為當(dāng)前芯片封裝界一個亟待解決的問題。

目前，我國芯片封裝設(shè)備工業(yè)水平與國外先進(jìn)水平仍有較大差距，國內(nèi)芯片封裝設(shè)備的85%依賴進(jìn)口，在西方發(fā)達(dá)國家技術(shù)封鎖下，高端的芯片封裝設(shè)備引進(jìn)受到制約，芯片封裝水平將阻礙我國成為二十一世紀(jì)世界IC制造強(qiáng)國之一。因此，迫切需要開展面向先進(jìn)芯片封裝等先進(jìn)制造領(lǐng)域的高精度定位技術(shù)的研究。

1　宏微驅(qū)動機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀

由于精密定位技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性、對高科技發(fā)展影響的重要性，因而一直是各個發(fā)達(dá)國家的科研機(jī)構(gòu)、高等院校和大型企業(yè)研究的重點。在IC制造產(chǎn)業(yè)中，關(guān)鍵部件就是實現(xiàn)高位置分辨率、高可靠性、具有較大行程和高精度定位的直線推進(jìn)運(yùn)動。

現(xiàn)有高分辨率直線推進(jìn)運(yùn)動普遍借助于旋轉(zhuǎn)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，加上滾珠絲杠而獲得的直線運(yùn)動，再加上微動臺實現(xiàn)宏微驅(qū)動，如圖1所示[1]。

圖1　宏微雙驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖

1.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)研究精密定位技術(shù)的科研機(jī)構(gòu)和高等院校非常多，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)、清華大學(xué)、西安交大、浙江大學(xué)、吉林大學(xué)、西安理工大學(xué)、中國科學(xué)院長春光機(jī)所和成都光電所等單位對大行程精密定位進(jìn)行了比較多的研究工作，近年來臺灣地區(qū)對該領(lǐng)域的研究也非?；钴S[1～5]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)王立松研制的宏微兩級驅(qū)動雙定位工作臺，該工作臺采用直線電機(jī)進(jìn)行大行程驅(qū)動，電致伸縮微位移器完成精定位，單頻激光干涉儀實現(xiàn)閉環(huán)位置反饋，用頻率法建立定位系統(tǒng)的模型，采用PID控制方法，實現(xiàn)了500mm工作行程內(nèi)小于20 nm的重復(fù)定位精度。王波等人在超精密車床上利用滾珠絲杠的微動特性所進(jìn)行的納米定位研究，利用滾珠絲杠的微動特性，同樣可以實現(xiàn)納米級的定位精度。

浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)國家重點實驗室的米鳳文等人研制的大行程精密定位系統(tǒng)，它采用粗、精兩級定位方式，伺服電機(jī)帶動機(jī)械傳動系統(tǒng)實現(xiàn)粗定位，壓電陶瓷實現(xiàn)工作臺的精定位。

中科院成都光電所謝傳缽研制的分步重復(fù)投影光刻機(jī)精密快速定位也采用粗、細(xì)結(jié)合方式，粗定位采用滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)和滾動導(dǎo)軌，細(xì)定位采用分辨率為10 nm的壓電尺蠖驅(qū)動。

清華大學(xué)朱煜等人與上海微電子設(shè)備有限公司合作研究的步進(jìn)掃描投影式光刻機(jī)超精密工件臺是一種宏微兩級定位系統(tǒng)，它采用氣浮導(dǎo)軌支撐、直線電機(jī)驅(qū)動、直線光柵尺反饋組成大行程直線運(yùn)動系統(tǒng)，其上疊加洛侖茲電機(jī)驅(qū)動的氣浮微動臺，提供對直線電機(jī)的精度補(bǔ)償。

西安交通大學(xué)的壓印光刻機(jī)宏、微兩級超高精度定位系統(tǒng)中，采用彈性力學(xué)理論，對精定位臺的靜、動參數(shù)進(jìn)行了分析和估算，確定了系統(tǒng)的自然頻率，并由此設(shè)計出雙伺服環(huán)的控制系統(tǒng)；在控制軟件中采用Chebyshev數(shù)字濾波器去除信號中的噪聲，使整個定位系統(tǒng)在200mm的行程中，定位精度達(dá)到了8 nm。

臺灣中正大學(xué)研制的大行程納米定位工作臺，在滾珠絲杠上裝兩個螺母，中間夾著PZT，先用滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)加上抖動信號粗定位以消除機(jī)構(gòu)的爬行現(xiàn)象，然后再利用PZT進(jìn)行精定位。淡江大學(xué)和修平技術(shù)學(xué)院共同研制的大行程納米定位系統(tǒng)，它采用絞盤機(jī)驅(qū)動方式、氣浮導(dǎo)軌支撐的單層工作臺，分辨率為5 nm的HP激光干涉儀作為位置反饋測量裝置，模型參考自適應(yīng)控制，在50 nm、500 nm和10μm三種步距實驗中都獲得了小于±15 nm的(步距)定位精度，并且無過沖，抗干擾能力很強(qiáng)。

1.2國外研究現(xiàn)狀

國外對大行程精密定位技術(shù)進(jìn)行研究的國家非常多，除了美國、日本等傳統(tǒng)的精密機(jī)械技術(shù)強(qiáng)國外，近年來韓國對該領(lǐng)域的研究也非常深入[6～8]。

North Carolina大學(xué)和MIT共同研制的用于掃描探針顯微鏡的六自由度磁懸浮掃描工作臺，工作范圍是25mm×25mm×0.lmm，定位精度達(dá)到了10 nm。

東京工業(yè)大學(xué)精密及智能實驗室研制的氣體靜壓工作臺納米定位系統(tǒng)，它采用有刷直流電機(jī)，軸承、導(dǎo)軌和絲杠螺母采用氣體靜壓方式，PID控制器。這也是單層工作臺的納米定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)位置反饋所用激光干涉儀的分辨率僅為0.3 nm，使得定位精度達(dá)到了±2 nm，由于采用了絲杠螺母的驅(qū)動形式，定位行程達(dá)到了400mm。

韓國首爾大學(xué)研制的一種宏微兩級定位納米工作臺，宏動臺采用滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)，微動臺用PZT加柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)。該工作臺采用雙伺服控制的方法，宏動臺的位置反饋用編碼器，微動臺的位置反饋用激光干涉儀，定位行程達(dá)到200mm，精度為10 nm。韓國電子技術(shù)研究所研制的一種用于微裝配和半導(dǎo)體設(shè)備上的尺鑊式驅(qū)動器，它采用外差激光干涉儀作為伺服反饋裝置，定位行程達(dá)到100mm，速度為10.2mm/s，移動步距為50 nm。韓國高等理工學(xué)院SungQ.Lee等人研制了音圈驅(qū)動器和空氣支承滑臺，采用連續(xù)增益調(diào)整控制方法，實現(xiàn)了100mm行程、50 nm步距的定位運(yùn)動[9～13]。

法國Compiegne工業(yè)大學(xué)的SamirMekid用無刷直流電機(jī)摩擦傳動、液體靜壓支承構(gòu)成了高精度直線滑臺，并采用內(nèi)模控制的方法實現(xiàn)了較大行程的納米定位，該滑臺有較大的承載能力和工作行程，定位精度高，但10mm/s的運(yùn)動速度并不算高。

1.3存在的問題

上述傳統(tǒng)電磁電機(jī)或者再加上一套變換機(jī)構(gòu)組成宏直線運(yùn)動，微動臺組成的微直線運(yùn)動，宏微直線運(yùn)動疊加構(gòu)成了大行程高分辨率宏微運(yùn)動裝置，不可避免的存在傳統(tǒng)電磁電機(jī)的諸多缺點，如電磁場干擾，同時宏、微驅(qū)動從機(jī)械結(jié)構(gòu)到驅(qū)動控制系統(tǒng)都是各自獨立，體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動鏈長，需要分別對電磁電機(jī)和微動臺進(jìn)行驅(qū)動控制，使機(jī)構(gòu)體積和重量進(jìn)一步小型化和提高運(yùn)動精度都十分困難，其產(chǎn)品性能、質(zhì)量很難進(jìn)一步提高，難以滿足當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)對直線電機(jī)精度、速度及結(jié)構(gòu)等要求[14-15]。

2　超聲電機(jī)研究進(jìn)展

超聲電機(jī)是利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)使定子產(chǎn)生高頻（超聲波）振動而驅(qū)動轉(zhuǎn)子（或滑塊）運(yùn)動的一種新型電機(jī)，它與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比有著完全不同的原理和結(jié)構(gòu)，因而具有一些電磁電機(jī)所沒有的特點[16-17]，已引起人們的廣泛關(guān)注。

2.1國外超聲電機(jī)研究進(jìn)展

上世紀(jì)八十年代以來，日本人主要研究旋轉(zhuǎn)型壓電微電機(jī)并走向?qū)嵱没?，廣泛應(yīng)用于照相機(jī)、醫(yī)療、汽車、機(jī)器人、航空航天等領(lǐng)域[14-17]。與此同時，日本著名學(xué)者指田年生（T.Sashida）、宮崎、黑澤實（M.Kurosawa）、高野剛浩（T. Takano）、上羽貞行（S.Ueha）、富川義朗（Y. Tomikawa）等先后對直線型超聲電機(jī)進(jìn)行了研究。

1998年美國Anorad公司首次在世界半導(dǎo)體工業(yè)博覽會展示了直線超聲電機(jī)系列，如圖2所示。該系列電機(jī)已經(jīng)應(yīng)用在Intel公司的計算機(jī)芯片制造工藝中。圖3為東北工業(yè)大學(xué)高野剛浩（T.Takan）教授正在調(diào)試的直線型電機(jī)，無載荷速度達(dá)26 cm/s，位置分辯率為1μm。Phsikinstrumente公司研制出的直線超聲電機(jī)如圖4所示，PILine系列產(chǎn)品中一款電機(jī)輸出推力可達(dá)1N，無負(fù)載最大速度可達(dá)800mm/s。2005年，南韓Hyun-Phill Ko etal研制了一種高速，高精度的用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的直線超聲電機(jī)如圖5所示[18]。

圖2　Anorad公司直線型超聲電機(jī)系列

圖3　高野剛浩(T.Takan)調(diào)試的直線型電機(jī)

圖4　Phsikinstrumente公司研制的超聲電機(jī)

圖5　南韓Hyun-Phill Koetal研制的超聲電機(jī)

2.2國內(nèi)超聲電機(jī)研究進(jìn)展

國內(nèi)許多單位，如南京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、東南大學(xué)、華中科技大學(xué)、吉林大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、電子部第21研究所等單位先后開展了這一研究工作。1997年清華大學(xué)研制出具有自校正功能的直線型超聲電機(jī)[14～17]，1998年南京航空航天大學(xué)超聲電機(jī)研究中心研制的駐波大推力直線超聲電機(jī)如圖6所示[14～17]。1998年華中科技大學(xué)辜承林等研制了一種雙π型壓電超聲波直線電機(jī)，如圖7所示，該雙π型壓電超聲波直線電機(jī)克服了單π型超聲波直線電機(jī)的預(yù)應(yīng)力的施加系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜和加工難度大的問題，提出了雙π型結(jié)構(gòu)集振動體和移動體于一身，并由磁場提供預(yù)應(yīng)力[14～17]。

圖6　南京航空航天大學(xué)復(fù)合振子型直線超聲電機(jī)

圖7　華中科技大學(xué)雙π型壓電超聲波直線電機(jī)

2005年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了一種利用超聲換能器縱向振動模態(tài)的雙向驅(qū)動直線超聲電機(jī)，通過支架固定兩個超聲換能器呈V型，如圖8所示，其中一個換能器工作可驅(qū)動動子單方向運(yùn)行，當(dāng)單獨激勵另一個振子時，動子反方向運(yùn)行[19]。

圖8　哈爾濱工業(yè)大學(xué)縱向振動模態(tài)直線超聲電機(jī)

2007年，南京航空航天大學(xué)研制了一種雙驅(qū)動足大推力直線超聲電機(jī)如圖9所示[14]。

圖9　南京航空航天大學(xué)雙驅(qū)動足直線超聲電機(jī)

2003年-2009年華南農(nóng)業(yè)大學(xué)先后研制出柱型復(fù)合振子和面內(nèi)模態(tài)薄型直線超聲電機(jī)和V型雙棱柱振子直線超聲電機(jī)如圖10-11所示。

圖10　華南農(nóng)業(yè)大學(xué)柱型復(fù)合振子直線超聲電機(jī)

圖11　華南農(nóng)業(yè)大學(xué)錐型復(fù)合振子直線超聲電機(jī)

2.3存在的問題

雖然超聲電機(jī)具有前述的諸多優(yōu)點，但目前現(xiàn)有超聲電機(jī)工作出現(xiàn)的死區(qū)、不可靠、效率低、位置分辨率穩(wěn)定性差，預(yù)壓力模型及電機(jī)由于自身宏動和諧振微動對位置分辨率的影響等問題未能很好解決，也很難實現(xiàn)真正的高位置分辨率和高可靠性，尚不足以用做IC產(chǎn)業(yè)和自動化工藝裝備的高精度進(jìn)給部件[20-25]。

3　新型宏微驅(qū)動直線電機(jī)

現(xiàn)有宏微驅(qū)動機(jī)構(gòu)和直超聲電機(jī)各有優(yōu)勢和不足，因此，結(jié)合宏微驅(qū)動機(jī)構(gòu)和直線超聲電機(jī)的優(yōu)點，本文提出并設(shè)計了集宏微運(yùn)動于一體的新型直線電機(jī)[26-27]，實現(xiàn)宏微直線運(yùn)動，將使傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積變小、分辨率和可靠性提高。

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計與原理

實現(xiàn)宏微驅(qū)動的新型直線電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖12～13所示，其中圖12為宏微運(yùn)動電機(jī)裝配圖，圖13為復(fù)合振子結(jié)構(gòu)示意圖，復(fù)合振子兩側(cè)對稱裝有壓電陶瓷片，極性相反配對組裝。

圖12　宏微運(yùn)動電機(jī)裝配圖

圖13　復(fù)合振子結(jié)構(gòu)示意圖

宏驅(qū)動時，分別對左右側(cè)壓電陶瓷通以正、余弦交流電，頻率與復(fù)合振子諧振頻率相同，以此同步激發(fā)復(fù)合振子的沿軸向的反向的對稱振型和同向的反對稱振型，如圖14～15所示，二者振型合成，則在復(fù)合振子的撥齒與動子接觸處產(chǎn)生橢圓運(yùn)動軌跡，在一定預(yù)壓力作用下，依靠撥齒與動子的動摩擦力，推動動子沿軸向直線宏運(yùn)動。

圖14　宏運(yùn)動復(fù)合振子反向振型

圖15　宏運(yùn)動復(fù)合振子同向振型

微驅(qū)動時，分別對左右側(cè)壓電陶瓷通以正、負(fù)直流電，以此同步驅(qū)動復(fù)合振子產(chǎn)生靜態(tài)變形，在一定預(yù)壓力作用下，依靠撥齒與動子的靜摩擦力，夾持并帶動動子沿軸向直線微運(yùn)動。這樣，在一個復(fù)合振子上，實現(xiàn)了大行程高速宏運(yùn)動和高分辨率的精密微定位。

圖16　微運(yùn)動靜態(tài)變形

3.2宏微驅(qū)動電源設(shè)計

新型直線電機(jī)高性能的獲得，還要通過驅(qū)動控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)，所以設(shè)計適用于該類型電機(jī)的驅(qū)動控制系統(tǒng)顯得非常迫切，采用高壓集成運(yùn)算放大器和三相逆變電路設(shè)計的一套驅(qū)動電路，可將宏微驅(qū)動控制系統(tǒng)集成在一個驅(qū)動控制系統(tǒng)中，采用可控整流和高頻DC-DC二級電路實現(xiàn)0～1 000V直流電壓連續(xù)可調(diào)，如圖17所示[28]。

圖17　宏微驅(qū)動電源框圖

4　結(jié)論

大行程、高精度，同時易于小型化的移動機(jī)構(gòu)是先進(jìn)制造業(yè)等領(lǐng)域要解決的關(guān)鍵問題之一，為此本文對現(xiàn)有宏微雙重驅(qū)動機(jī)構(gòu)和直線超聲電機(jī)的研究進(jìn)展和存在問題進(jìn)行了回顧，提出了一種宏微雙重驅(qū)動新型直線壓電電機(jī)，使其既能與超聲電機(jī)一樣，直接宏驅(qū)動，具有響應(yīng)快、不受磁場干擾等特點；又能與微驅(qū)動相同，實現(xiàn)微驅(qū)動、精準(zhǔn)定位，把宏微二種驅(qū)動集成在一個電機(jī)結(jié)構(gòu)上，通過有限元模態(tài)計算分析了宏微驅(qū)動原理，同時，將宏微驅(qū)動控制系統(tǒng)也集成在一個控制器上，并給出了電源設(shè)計方案，前期的試驗已證明了宏微二種驅(qū)動集成在一個電機(jī)上方案合理、可行，也是未來宏微雙重驅(qū)動的一個發(fā)展方向。

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(編輯：阮毅)

Study on a New Type of Linear Motor with Macro-Micro Dual Drive

ZHANG Tie-min
(South China AgriculturalUniversity，College of Engineering，Guangzhou510642，China）

Large stroke，high accuracy，easyminiaturization andmovingmechanism isone of the key problems to be solved in advanced manufacturing field，this paper reviews the research progress ofexistingmacro/micro dual drivemechanism and linear ultrasonicmotor and the existing problems，puts forward a kind ofmacromicro dual drive new linear piezoelectricmotor，themacro andmicromovement combine to make it the same as both the ultrasonic motor，direct-drive，fast response，from magnetic interference to achieve macro-driven;butwith the samemicro drive，precision positioning，to achievemicro drive，on amotorwhileachievingmacro andmicro drive，and through the finite element analysis software，calculate the vibration mode and the static deformation of composite vibrator，analyzes themacro and micro driving principle，presents the design ofmacromicro drivemodel of linearmotor driving power，as the macro/micro dualdrive foundation.

macro/micro dualdrive；linearmotor；ultrasonicmotor；micro drive

TP2

A

1009－9492(2015)06－0001－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.001

*國家自然科學(xué)基金項目（編號：51177053）；廣東省科技創(chuàng)新重點項目（編號：2012CXZD0016）；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目（編號：20124404110003)資助

2015－04－21

張鐵民，男，1961年生。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院教授。研究領(lǐng)域：微機(jī)電系統(tǒng)、機(jī)器人技術(shù)和智能檢測與控制技術(shù)。