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1、(10)申请公布号 CN 103050151 A (43)申请公布日 2013.04.17 CN 103050151 A *CN103050151A* (21)申请号 201210565465.2 (22)申请日 2012.12.24 G12B 5/00(2006.01) H02N 2/10(2006.01) (71)申请人 南京航空航天大学 地址 210016 江苏省南京市白下区御道街 29 号 (72)发明人 朱华 吴文才 潘松 菅磊 曹如意 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 张惠忠 (54) 发明名称 一种二自由度的 X-Y 工作台 (57) 摘要。
2、 本发明公布了一种二自由度的 X-Y 工作台， 包括固定结构、 第一滑动结构、 第二滑动结构、 多 自由度超声电机、 多自由度超声电机控制装置、 底 板、 加压装置 ； 第一滑动结构安装在固定结构上， 第二滑动结构安装在第一滑动结构上 ； 多自由度 超声电机一端与第二滑动结构相连接， 另一端和 底板相接触， 并通过加压装置使多自由度超声电 机对底板保持一定的压力 ； 工作台连接板固定安 装在第二滑动结构上 ； 多自由度超声电机控制装 置通过信号激励来控制多自由度超声电机 ； 多自 由度超声电机通过振动来控制工作台连接板在 X-Y 方向上方向滑动。本发明实现了单个超声电 机在二自由度工作台上的精。
3、确定位使用。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 1/1 页 2 1. 一种二自由度的 X-Y 工作台， 包括固定结构 (1)、 第一滑动结构 (2)、 第二滑动结构 (3)， 其特征在于 ： 还包括多自由度超声电机 （6） 、 多自由度超声电机控制装置、 底板 （4） 、 加压装置 （7） ； 所述第一滑动结构 （2） 安装在所述固定结构 （1） 上， 所述第二滑动结构 （3） 安装在所述 第一滑动结构 （1） 上 ； 所述多自由度超声电机 （6。
4、） 一端与所述第二滑动结构 （3） 相连接， 另一端和底板 （4） 相 接触， 并通过加压装置 （7） 使多自由度超声电机 （6） 对底板 （4） 保持一定的压力 ； 所述工作台连接板 （15） 固定安装在所述第二滑动结构 （3） 上 ； 所述多自由度超声电机控制装置通过信号激励来控制多自由度超声电机 （6） ； 所述多自由度超声电机 （6） 通过振动来控制工作台连接板 （15） 在 X-Y 方向上方向滑 动。 2. 根据权利要求 1 所述的工作台， 其特征在于 ： 所述加压装置 （7） 包括下移动板 （5） 上 安装的多个螺纹杆 （8） ， 多自由度超声电机 （6） 上固定安装有支撑联接板 。
5、（104） ， 支撑联接 板 （104） 上有多个与螺纹杆 （8） 相配合的通孔 （9） ， 所述多自由度超声电机 （6） 通过所述支 撑联接板 （104） 套装于螺纹杆 （8） 上， 在下移动板 （5） 与支撑联接板 （104） 之间的螺纹杆 （8） 上还套装了弹簧 （10） ， 弹簧的上方安装有可以沿螺纹杆上下移动的联接杆 （11） 。 3.根据权利要求1所述的工作台， 其特征在于 ： 多自由度超声电机 （6） 的底部有驱动足 （101） 。 4. 根据权利要求 1 所述的工作台， 其特征在于 ： 还包括位移测量装置 （13， 14） ， 所述位 移测量装置 （13， 14） 把所测量到的。
6、移动板 （5） 的位移信号传递给多自由度超声电机控制装 置。 5. 根据权利要求 4 所述的工作台， 其特征在于 ： 位移测量装置 （13， 14） 为光栅测量装 置。 6. 根据权利要求 1-5 之一所述的工作台， 其特征在于 ： 电机控制装置为基于 DSP 芯片 的驱动控制系统。 7. 根据权利要求 1-5 之一所述的工作台， 其特征在于 ： 所述的多自由度超声电机 （6） 包括下端部 （102） 、 四片压电陶瓷片叠加 （103） 、 上端部 （105） 、 预紧螺栓 （106） ， 所述压电陶 瓷片为四分区结构， 下端部 （102） 中间有螺纹孔， 上端部 （105） 中间有通孔， 通。
7、过预紧螺栓 （106） 将下端部 （102） 、 四片压电陶瓷片叠加 （103） 、 上端部 （105） 固联起来。 8. 根据权利要求 1-5 之一所述的工作台， 其特征在于 ： 底板 （4） 为摩擦板。 9. 根据权利要求 1-8 之一所述的工作台的工作方法为 ： a、 多自由度超声电机控制系统发出信号给多自由度超声电机 ； b、 多自由度超声电机带动工作台做 X、 Y 向运动 ； c、 位移测量系统把测得的信号传递给多自由度超声电机控制系统 ； d、 多自由度超声电机控制系统根据所采集的位移信号再次发出信号给多自由度超声 电机。 权 利 要 求 书 CN 103050151 A 2 1/。
8、4 页 3 一种二自由度的 X-Y 工作台 0001 技术领域 0002 本发明涉及一种小型 X-Y 工作台， 具体涉及一种精确定位的 X-Y 工作台。 背景技术 0003 X-Y工作台， 主要用于二自由度平面运动定位上。 目前市场上常见的X-Y工作台多 为两台电机分别驱动负载沿 X 向导轨和 Y 向导轨运动的形式。具体形式为由两个互相独立 的、 互为垂直的导向导轨、 传动系统及工作台组成， 上面导轨装有电机 1 驱动工作台作 X 向 运动， 下面导轨由底座支撑， 并装有电机2驱动上面导轨、 电机1及工作台作Y向运动。 由于 两台电机分别驱动， 难以精确做到实时联动定位， 尤其是传动机构上的限。
9、制， 难以向微型化 方面发展。 单个多自由度超声电机只能控制单自由度工作台， 不能控制双自由度工作台。 发明内容 0004 本发明要解决的技术问题是提供一种体积小、 结构简单、 并且由单个超声电机同 时控制工作台做 X-Y 向滑动。 0005 为了解决上述技术问题， 本发明使用的二自由度 X-Y 工作台 ： 包括固定安装在底 座上的立柱， 二根固定安装立柱上的且相互平行的 X 向导轨， 以上结构安装完成后一般不 做调整， 简称为固定结构 ； 包括二根 X 向导轨上分别安装的轴承座， 二根 Y 向导轨分别固定 安装在 X 向导轨上的轴承座上， 以上结构可以沿 X 方向自由滑动， 简称为第一滑动结。
10、构 ； 移 动板 ； 包括二根 Y 向导轨上分别安装的轴承座， 二个轴承座通过上下二块移动板固定连接 在一起， 以上结构可以沿 Y 方向自由滑动， 简称为第二滑动结构 ； 多自由度超声电机 ； 多自 由度超声电机控制装置 ； 底板 ； 加压装置 ； 第一滑动结构安装在固定结构上， 第二滑动结构 安装在第一滑动结构上 ； 多自由度超声电机一端与第二滑动结构相连接， 另一端和底板相 接触， 并通过加压装置使多自由度超声电机对底板保持一定的压力 ； 工作台连接板固定安 装在第二滑动结构上， 工作台安装在工作台连接板上， 工作台连接板也可以直接作为工作 台使用， 也就是说工作台也可以直接安装在第二滑动。
11、结构上 ； 多自由度超声电机控制装置 通过信号激励来控制多自由度超声电机 ； 多自由度超声电机通过振动来控制工作台连接板 在 X-Y 方向上滑动。本技术方案使多自由度超声电机对底板施加压力， 当多自由度超声电 机工作时， 通过把高频振动转化为底板上的摩擦驱动来控制工作台连接板在 X-Y 方向上滑 动， 并且由于采用一台电机控制移动板在二个自由度上滑动， 缩小了装置的体积。 多自由度 超声电机由于和底板相接触并对底板有压力， 这种装配方式还可以起到制动的效果。并且 超声电机与电磁电机相比存在一些明显的优点， 如 : 低速大转矩、 不需减速机构可直接驱 动、 无齿轮间隙， 定位精度高 ( 微米或纳。
12、米量级 )、 大力矩密度时效率高 (30%40%)、 且具有 自保持力矩， 惯性小、 响应快 (ms 量级 )、 运行无噪音、 不产生磁干扰且抗磁干扰能力强、 结 构简单、 加工容易、 易小型化等等。 说 明 书 CN 103050151 A 3 2/4 页 4 0006 作为本技术方案的进一步改进， 加压装置包括第二滑动结构的移动板上固定安装 的多个螺纹杆， 多自由度超声电机上固定安装的支撑联接板， 支撑联接板上有多个与螺纹 杆相配合的通孔， 多自由度超声电机通过支撑联接板套装于螺纹杆上， 在第二滑动结构与 支撑联接板之间的螺纹杆上还套装了弹簧， 弹簧的上方安装有可以沿螺纹杆上下移动的联 接。
13、杆。在本技术方案中可以通过联接杆来调节弹簧的长度， 从而调节压力。由于加压装置 直接安装在第二滑动结构与多自由度超声电机之间， 这样进一步简化了结构。当然也可以 把加压装置安装在其他位置， 如按照公知的方法安装在支撑装置上， 只要能保证多自由度 超声电机对底板的压力就可以。 0007 作为针对本技术方案的进一步改进， 本发明在多自由度超声电机的底部装有驱动 足， 这样可以直接利用其作为电机输出力的功能执行件， 同时避免了电机下端部与底板的 磨损。 0008 作为本技术方案的进一步改进， 采用了位移测量装置， 位移测量装置把所测量到 的工作台连接板的位移信号传递给多自由度超声电机控制装置， 多自。
14、由度超声电机控制装 置根据位移测量装置所测量到的工作台连接板的位移信号发出指令给多自由度超声电机 进行修正， 从而保证了移动板的精确定位。 0009 作为针对本技术方案的进一步改进， 本发明要解决的是进一步提高工作台的精 度。为此， 在本发明中采用了光栅测量装置作为位移测量装置。光栅测量装置可以把测量 精度提高到微米级， 从而保证了本工作台的高精度。当然也可以采用其它高精度的位移测 量装置， 如激光测距仪等。 0010 作为针对本技术方案的进一步改进， 本发明要解决的是进一步提高工作台的精 度。为此， 在本发明中多自由度超声电机控制装置采用了基于 DSP 芯片的驱动控制系统， DSP 芯片内部。
15、采用程序和数据分开的哈佛结构， 具有专门的硬件乘法器， 可以用来快速的实 现各种数字信号处理算法。具有稳定性好， 精度高 、 可编程性 、 高速性能 、 可嵌入性 、 接 口和集成方便的特点。从而使本工作台可以完成复杂的、 高精度工作。 0011 作为针对本技术方案的进一步改进， 本发明要解决的是一种电机驱动的小型 X-Y 工作台， 因而电机的结构尺寸越小越好， 故采用了通过预紧螺栓将下端部、 四片压电陶瓷片 叠加、 上端部直接固联起来的圆柱杆式结构形式， 每片陶瓷片采用四分区结构， 四片压电陶 瓷片叠加并加以信号激励， 采用空间上相互独立的四个兰杰文振子且其前端部通过连接杆 组合成的结构， 。
16、来代替原始结构的多自由度超声电机。因而使电机结构更加紧凑， 尺寸更 小， 有利于工作台的小型化应用。 0012 作为针对本技术方案的进一步改进， 用摩擦板代替底板， 进一步加大了多自由度 超声电机与底板的摩擦力。当多自由度超声电机停止工作时， 多自由度超声电机与摩擦板 的摩擦可以制动工作台的运动， 起到更好的制动装置的作用， 达到断电自锁的效果。 0013 本工作台的操作方法为 ： 先由多自由度超声电机控制系统发出信号给多自由度超 声电机， 指令多自由度超声电机带动工作台做X、 Y向运动， 在工作台沿X、 Y向运动时位移测 量系统会把测得的信号传递给多自由度超声电机控制系统， 多自由度超声电机。
17、控制系统根 据所采集的位移信号再次发出信号给多自由度超声电机进行修正， 从而完成工作任务。本 方法可以根据工作台任务完成的状况进行检测并修正。 0014 说 明 书 CN 103050151 A 4 3/4 页 5 附图说明 0015 图 1 是二自由度的 X-Y 工作台的立体图。 0016 图 2 是二自由度的 X-Y 工作台的俯视图。 0017 图 3 是二自由度的 X-Y 工作台加压装置的立体图。 0018 图 4 是多自由度超声电机的立体图。 0019 图 5 是压电陶瓷片的立体图。 0020 图 6 是二自由度的 X-Y 工作台的工作方法流程图。 0021 附图标记如下 ： 1、 固。
18、定结构 ； 2、 第一滑动结构 ； 3、 第二滑动结构 ； 4、 底板 ； 5、 移动 板 ； 6、 多自由度超声电机 ； 7、 加压装置 ； 8、 螺纹杆 ； 9、 通孔 ； 10、 弹簧 ； 11、 联接杆 ； 12、 立柱 ； 13、 位移测量装置 ； 14、 位移测量装置 ； 15、 工作台连接板 ； 16、 底座 ； 17、 槽 ； 18、 X 向导轨 ； 19、 X 向导轨 ； 20、 Y 向导轨 ； 21、 Y 向导轨 ； 22、 第一读数头 ； 23、 第一光栅尺 ； 24、 第二读数头 ； 25、 第二光栅尺 ； 26、 卡片 ； 101、 驱动足 ； 102、 下端部 ； 。
19、103、 压电陶瓷片 ； 104、 连接板 ； 105、 上端部 ； 106、 预紧螺栓。 具体实施方式 0022 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。 0023 为叙述方便， 下文中所称的 “左” “右” “上” “下” 与附图本身的左、 右、 上、 下方向 一致， 但并不对本发明的结构起限定作用。此外， 为简洁起见， X 向导轨上的读数头、 光栅尺 简称第一读数头、 第一光栅尺， Y 向导轨上的读数头、 光栅尺简称第二读数头、 第二光栅尺， 沿 X 方向滑动的结构简称第一滑动结构， 沿 Y 方向滑动的结构简称第二滑动结构。 0024 在图 1 和图 2 所示的多自由度的 。
20、X-Y 工作台中， X 向导轨 18 和 X 向导轨 19 分别 安装在工作台二侧的四根立柱 12 上。每根立柱上相同位置处都开有长方形的槽 17， 槽 17 也可以是其他形状， 如长圆形等。X 向导轨 18、 19 的二端设置有螺纹并通过槽 17 伸出立柱 12 外， 使用螺母把导轨固定在立柱 12 上， 立柱 12 安装在底座 16 上， 以上结构构成固定结 构 1。在安装时 X 向导轨 18、 19 可以在立柱 12 上上下调节， 使二根 X 向导轨 18 和 X 向导轨 19处于同一水平面上且相互平行， 同时也可以调节多自由度超声电机6对底板4的压力。 X 向导轨 18 上装有在二个轴。
21、承座， 二个轴承座通过连接板固定安装在一起， X 向导轨 19 上安 装有二个轴承座， 二个轴承座通过连接板固定安装在一起 ； Y 向导轨 20 和 Y 向导轨 21 的左 端分别固定安装在 X 向导轨 18 的轴承座上， 右端分别固定安装在 X 向导轨 19 的轴承座上 ； 以上结构构成第一滑动结构 2。导轨可以使用光轴导轨或者直线导轨。Y 向导轨 20 和 Y 向 导轨 21 分别安装有一个轴承座， 二个轴承座通过上下二块移动板 5 固定安装在一起， 以上 结构构成第二滑动结构 3。第一读数头 22 固定安装在第一滑动结构 2 的轴承座上， 第一光 栅尺 23 安装在左侧的立柱 12 上且。
22、与第一读数头 22 的位置相对应。第二读数头 24 安装在 第二滑动结构 3 的上移动板 5 上， 第二光栅尺 25 固定安装在第一滑动结构 2 且与第二读数 头 24 相对应的位置上。工作台连接板 15 通过沉头螺栓固定安装在上移动板 5 上， 工作台 也可以直接安装在第二滑动结构 3 上。底板 4 固定在安装底座 16 上。为了加大摩擦力， 可 以用摩擦板代替底板 4。 0025 在如图 3 所示 ： 多自由度超声电机 6 上安装有支撑联接板 104， 支撑联接板 104 上 说 明 书 CN 103050151 A 5 4/4 页 6 有四个沿圆周方向均匀分布通孔9， 第二滑动结构3的下。
23、移动板5上有与支撑联接板104上 通孔相对应的四个沿圆周方向均匀分布的螺纹孔， 四个螺纹杆 8 通过下移动板 5 上的螺纹 孔固定在下移动板5上， 也可以使用内六角螺栓或者其他螺栓来代替， 也可以使螺纹杆8通 过其他方式固定在下移动板 5 上。螺纹杆 8 穿过支撑联接板 104 上的通孔 9。下移动板 5 与支撑联接板 104 之间的螺栓上还套装了弹簧 10， 弹簧 10 的上方安装有联接杆 11， 联接杆 11 为内有螺纹的通孔， 联接杆 11 可沿螺纹杆 8 的螺杆上下移动， 从而调节多自由度超声电 机 6 对底板 4 的压力。当然也可以用外径大于预紧弹簧直径的螺母代替， 螺纹杆 8 的底。
24、部 还有卡片 26。 0026 如图 4 和图 5 所示 ： 多自由度超声电机 6 包括驱动足 101、 前端部 102、 四片压电陶 瓷片叠加 103、 上端部 105、 预紧螺栓 106， 压电陶瓷片为四分区结构， 驱动足 101 和下端部 102 为一体， 上端部 105 中间有通孔， 下端部 102 中间有螺纹孔， 通过预紧螺栓 106 将下端 部 102、 四片压电陶瓷片叠加 103、 上端部 105 固联起来。多自由度超声电机下端部 102 的 驱动足 101 与底板 4 垂直相接触。驱动足 101 上粘接上涂料可作为执行件在底板 4 上描绘 出运动轨迹。 0027 光栅测量装置通。
25、过有线方式和多自由度超声电机的控制系统相连接。 其它公知的 位移测量装置也可以通过公知的方式与多自由度超声电机的控制系统相连接。 多自由度超 声电机和多自由度超声电机的控制系统相连接。 0028 如图 6 所示 ： 多自由度超声电机工作台的工作方法为 ： 先由多自由度超声电机控 制系统发出信号给多自由度超声电机， 指令多自由度超声电机带动工作台做 X、 Y 向运动， 在工作台沿 X、 Y 向运动时位移测量系统会把测得的信号传递给多自由度超声电机控制系 统， 多自由度超声电机控制系统根据所采集的位移信号再次发出信号给多自由度超声电机 进行修正移动板的位置。 说 明 书 CN 103050151 A 6 1/3 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103050151 A 7 2/3 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103050151 A 8 3/3 页 9 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103050151 A 9 。