任澤生 郝曉亮 吳海 翟玉衛(wèi)

摘要：介紹了一種直線超聲馬達(dá)的特點(diǎn)及原理，在分析其控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，概述了超聲馬達(dá)在設(shè)備中的接線結(jié)構(gòu)及控制理論，總結(jié)了直線超聲馬達(dá)系統(tǒng)的常見(jiàn)故障，并提出了各種故障的處理措施。

Abstract： Introduces the characteristics and principles of the linear ultrasonic motor in the alignment tester. Based on the analysis of its control system， the wiring structure and control theory of the ultrasonic motor in the equipment are summarized， and the common faults of the ultrasonic motor system are summarized. Proposes various troubleshooting measures.

關(guān)鍵詞：超聲馬達(dá);驅(qū)動(dòng)足;差分連接;運(yùn)動(dòng)偏差

Key words： ultrasonic motor;drive foot;differential connection;movement deviation

中圖分類號(hào)：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）24-0079-03

0? 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，與傳統(tǒng)電磁馬達(dá)工作原理不同的超聲馬達(dá)技術(shù)得到迅速發(fā)展和應(yīng)用。超聲馬達(dá)具有結(jié)構(gòu)小，無(wú)齒輪驅(qū)動(dòng);運(yùn)動(dòng)慣性小，響應(yīng)快，斷電自鎖;位置速度控制好，位移精度高;防磁場(chǎng)干擾;低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外不斷出現(xiàn)各種樣式的超聲馬達(dá)，其中直線超聲馬達(dá)具有無(wú)需轉(zhuǎn)換裝置，直接輸出直線運(yùn)動(dòng)及推力，分辨率和運(yùn)動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)。1995年，Nanomotion公司提出了一種利用薄板面內(nèi)一階縱振和二階彎振模態(tài)耦合的單驅(qū)動(dòng)足直線超聲馬達(dá)，提高馬達(dá)的輸出效率，并逐步形成以HR系列為代表的產(chǎn)品，在精密加工測(cè)量?jī)x器、半導(dǎo)體加工設(shè)備等領(lǐng)域占據(jù)一定份額，駐波直線超聲馬達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中越來(lái)越廣[1]。

國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)主要集中在直線超聲馬達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化[2]、建模仿真[3]、驅(qū)動(dòng)模型[4]、能量損耗[5]、驅(qū)動(dòng)足摩擦材料[6]等方向進(jìn)行研究，還有部分文獻(xiàn)對(duì)超聲馬達(dá)的進(jìn)展[7]進(jìn)行一系列的討論。但文獻(xiàn)少有對(duì)已應(yīng)用在半導(dǎo)體、精密加工等領(lǐng)域的直線超聲馬達(dá)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的常見(jiàn)故障及處理方式的討論。

本文以Nanomotion公司研制的面內(nèi)縱彎復(fù)合模態(tài)HR系列直線超聲馬達(dá)在對(duì)位測(cè)試機(jī)中的應(yīng)用為對(duì)象，簡(jiǎn)單介紹超聲馬達(dá)基本原理，對(duì)超聲馬達(dá)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的常見(jiàn)故障進(jìn)行梳理分析，并給出相應(yīng)處理措施。

1? 超聲馬達(dá)系統(tǒng)基本原理

超聲馬達(dá)是整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其工作原理是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)彈性體（定子）在超聲頻段內(nèi)的振動(dòng)，并通過(guò)定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦作用將振動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載。通過(guò)從馬達(dá)薄板一階面內(nèi)縱向伸縮振動(dòng)E1模態(tài)和二階面內(nèi)彎曲振動(dòng)B2模態(tài)的分析，如圖1所示，可以闡明質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡的形成過(guò)程。

E1 （x）、B2 （x）分別為自由邊界條件下，一階縱向振動(dòng)模態(tài)和二階彎曲振動(dòng)模態(tài)的振型函數(shù)[8]。

長(zhǎng)度。

忽略其他模態(tài)對(duì)工作模態(tài)的影響，應(yīng)用假設(shè)模態(tài)法，在定子上施加sin（ωt）和sin（ωt+？準(zhǔn)）的兩相電壓激勵(lì)信號(hào)后，定子被激發(fā)的模態(tài)相應(yīng)為：

由式（2）可知，一階縱振位移和相位與二階彎振位移相位存在±π/2的相位差。并且一階縱振位移方向與二階彎振位移方向始終相互垂直，所以位于二階彎振波幅處的驅(qū)動(dòng)足可以形成橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡。而定子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡的好壞是影響直線型超聲馬達(dá)的輸出性能的關(guān)鍵。

超聲馬達(dá)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由控制器（PC或控制板）、驅(qū)動(dòng)放大器模塊、馬達(dá)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)以及反饋系統(tǒng)四個(gè)方面構(gòu)成?？刂破鲗⑿盘?hào)傳輸?shù)津?qū)動(dòng)器上，由驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生一個(gè)高頻正弦波形，驅(qū)動(dòng)平臺(tái)上的HR馬達(dá)壓電陶瓷往復(fù)性振動(dòng)，帶動(dòng)線性或環(huán)形陶瓷板在某一方向發(fā)生位移。位移的變化量再通過(guò)光柵尺及編碼器（讀頭）反饋到控制器中，完成閉環(huán)控制。

2? 超聲馬達(dá)系統(tǒng)常見(jiàn)故障

超聲馬達(dá)控制技術(shù)在半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)域得到廣泛的使用，但因磨損、能量消耗等問(wèn)題，導(dǎo)致超聲馬達(dá)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)幾種常見(jiàn)故障。

2.1 控制單元常見(jiàn)故障

控制單元主要根據(jù)設(shè)定的預(yù)置以及反饋信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理向控制放大器輸出±10V以內(nèi)的模擬指令。

由控制器故障引發(fā)的主要表現(xiàn)為：超聲馬達(dá)無(wú)動(dòng)作，隨機(jī)性運(yùn)動(dòng)報(bào)警等情況。通過(guò)軟件界面檢查馬達(dá)系統(tǒng)參數(shù)及IO狀態(tài)、位置信息，測(cè)量實(shí)際輸出的模擬指令，或用外部操縱桿替代控制器等方式來(lái)判斷控制器是否異常。

首先需要排除控制板或信號(hào)線接觸不良導(dǎo)致的故障，拔插接口并使用電子清洗劑清理所有與控制板連接的接頭，測(cè)量控制線線阻情況。其次通過(guò)Service configure界面，手動(dòng)控制超聲馬達(dá)定距運(yùn)動(dòng)，如模擬量輸出信號(hào)，但設(shè)定位置與實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置有偏差引發(fā)報(bào)警，可通過(guò)調(diào)整PID、PositionLimits及DelayTime等參數(shù)改善馬達(dá)運(yùn)動(dòng)情況。手動(dòng)控制超聲馬達(dá)定距運(yùn)動(dòng)，如模擬量有輸出但馬達(dá)無(wú)動(dòng)作，則需要通過(guò)硬件的操縱桿代替控制器輸出控制信號(hào)，如果馬達(dá)發(fā)生移動(dòng)，可排除其他組件問(wèn)題，基本確認(rèn)控制器內(nèi)部元件有故障。

2.2 驅(qū)動(dòng)放大器接線及常見(jiàn)故障

HR壓電馬達(dá)配備專用放大器，AB1A、AB2、AB4以及AB5系列，也可以用其他符合要求的驅(qū)動(dòng)電路去控制。驅(qū)動(dòng)器可采用差分連接、非差分連接或遙控桿連接多種方式。差分連接具有較強(qiáng)的抗干擾能力，如圖2所示，故對(duì)位檢測(cè)設(shè)備中也采用此種方式。

馬達(dá)運(yùn)動(dòng)與驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓為線性響應(yīng)，因此馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)器的操作類似于由電壓放大器對(duì)直流馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。當(dāng)工作在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中時(shí)，驅(qū)動(dòng)器作為一個(gè)速度放大器來(lái)工作，它從控制器接收+/-10V范圍模擬信號(hào)，將控制器信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流電壓以39.6kHz頻率驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)工作在一個(gè)開(kāi)環(huán)模式中時(shí)，放大器能從外部操縱桿接收信號(hào)，提供連續(xù)或者步進(jìn)模式的運(yùn)動(dòng)。在不施加驅(qū)動(dòng)電壓的情況下，壓電陶瓷板靜止不動(dòng)，并在平臺(tái)上產(chǎn)生保持力矩，保持扭矩的馬達(dá)不會(huì)造成任何位置的改變。另外，馬達(dá)具有級(jí)聯(lián)功能，當(dāng)需要增大驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，可在系統(tǒng)中加入多個(gè)馬達(dá)。

驅(qū)動(dòng)放大器可根據(jù)前面板指示燈的7種狀態(tài)，如表1所示，以及輸入與輸出信號(hào)判斷是否正常工作。電源燈不亮需要檢查24V供電是否正確，使能燈不亮需要檢查馬達(dá)與驅(qū)動(dòng)器之間的接線。馬達(dá)處于使能狀態(tài)，輸入±10V電壓信號(hào)正常情況下，測(cè)量無(wú)輸出信號(hào)，則驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電路故障。

驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部由三個(gè)主卡組成。邏輯卡和驅(qū)動(dòng)卡與所有AB5配置通用，可以隨意進(jìn)行交換替代，而剩余的參數(shù)卡，配置的馬達(dá)不同，參數(shù)設(shè)定也不相同，需要進(jìn)行特定的配置才可進(jìn)行更換。

2.3 馬達(dá)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及常見(jiàn)故障

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主要有超聲馬達(dá)、轉(zhuǎn)子及導(dǎo)軌等部件構(gòu)成。直線超聲馬達(dá)為該結(jié)構(gòu)的核心組件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖3所示，主要由8片壓電陶瓷片和矩形金屬板組成，壓電陶瓷通過(guò)粘合劑貼在金屬板上。壓電陶瓷對(duì)稱分布，金屬板正面A、C陶瓷片施加sin（ωt）的電激勵(lì)，B、D陶瓷片同時(shí)施加sin（ωt+？準(zhǔn)）的電激勵(lì)，其中兩個(gè)信號(hào)的相位差？準(zhǔn)=π/2，金屬?gòu)椥泽w接地。如果要使動(dòng)子反向運(yùn)動(dòng)，只需將？準(zhǔn)變?yōu)?π/2。金屬板背面另外4片壓電陶瓷片分布與正面壓電陶瓷片相對(duì)金屬板成對(duì)稱分布。

平臺(tái)通過(guò)固定的超聲馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)足推動(dòng)導(dǎo)軌上的陶瓷板（轉(zhuǎn)子）進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。超聲馬達(dá)運(yùn)動(dòng)有兩個(gè)重要的動(dòng)力傳送過(guò)程，一是通過(guò)壓電陶瓷將電能轉(zhuǎn)換為定子振動(dòng)能的過(guò)程，主要取決于壓電材料的性能。另一個(gè)是繼續(xù)通過(guò)定子、動(dòng)子之間的摩擦作用傳送給動(dòng)子機(jī)械能的過(guò)程，主要取決于定子表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡[9]。

馬達(dá)部分能量損失以熱能在馬達(dá)溫升上體現(xiàn)。當(dāng)溫度小于85℃時(shí)，馬達(dá)正常工作;當(dāng)溫度升至85-100℃之間時(shí)，驅(qū)動(dòng)器指示燈顯示溫度警告，馬達(dá)正常工作;當(dāng)溫度超過(guò)100℃時(shí)，溫度報(bào)警，馬達(dá)停止工作，需降溫至85度以下，重新復(fù)位使能，馬達(dá)才能恢復(fù)工作狀態(tài)。當(dāng)頻繁溫度報(bào)警時(shí)，需降低環(huán)境溫度、增大馬達(dá)工作間隔、增加散熱降溫功能組件。

運(yùn)動(dòng)精度會(huì)受到摩擦損耗的影響，因此超聲馬達(dá)具有一定的使用壽命。使用一定時(shí)間或者出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偏差報(bào)警時(shí)，對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行拆卸，清理驅(qū)動(dòng)足與導(dǎo)軌，可顯著降低報(bào)警頻率。圖4中所示T軸馬達(dá)清理前與清理后，超聲馬達(dá)運(yùn)動(dòng)20次正反偏差的改善情況。

清理過(guò)程中確保馬達(dá)驅(qū)動(dòng)足不受機(jī)械沖擊，不用溶劑，只用無(wú)塵布擦拭即可。調(diào)試馬達(dá)需先安裝到位再加電測(cè)試。馬達(dá)以諧振頻率運(yùn)行，對(duì)電路電容值很敏感，因此不能隨意對(duì)馬達(dá)自帶電纜長(zhǎng)度進(jìn)行改變。

2.4 反饋系統(tǒng)常見(jiàn)故障

反饋系統(tǒng)包含光柵尺和讀頭等元件，常見(jiàn)故障由光柵尺沾污、讀頭松動(dòng)導(dǎo)致，需要進(jìn)行對(duì)光柵尺讀頭組件進(jìn)行清理維護(hù)調(diào)試。

將驅(qū)動(dòng)器設(shè)定為無(wú)使能狀態(tài)，并移動(dòng)滑塊與馬達(dá)的相對(duì)位置，反饋位移應(yīng)也發(fā)生變化，讀頭應(yīng)時(shí)刻亮綠燈。如在移動(dòng)過(guò)程中讀頭指示閃動(dòng)橘色或紅色指示，則應(yīng)清理光柵尺或者調(diào)試讀頭。用含有丙酮等快速揮發(fā)的溶劑無(wú)塵布，沿光柵尺刻度線的平行單一方向進(jìn)行輕輕擦拭，避免擦拭過(guò)程中細(xì)小顆粒將刻度劃傷。如光柵尺上有明顯劃痕，清理調(diào)試后仍異常，則需更換光柵尺或讀頭組件。

3? 結(jié)束語(yǔ)

超聲馬達(dá)這種基于壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)的高新技術(shù)產(chǎn)品，憑借優(yōu)異的性能，在自動(dòng)控制、超精密加工、微電子測(cè)試等設(shè)備中正快速普及。通過(guò)對(duì)超聲馬達(dá)基本原理的認(rèn)識(shí)，了解其控制方式及接線方式，掌握超聲馬達(dá)的常見(jiàn)故障的維護(hù)處理方法，可快速的恢復(fù)此類設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并一定程度提高馬達(dá)的利用效率。

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