精確快速且節能的壓電超聲電動機在全站儀中的應用

2021-01-08 電子產品世界

誰對驅動系統的要求提高了,誰就可以考慮在生產實踐中用壓電超聲電動機來代替傳統的直流步進電動機。例如,在新一代的地理測繪的全站儀中使用的壓電超聲電動機,就能夠在高清晰度和低能耗的情況下實現迄今為止從未有過的運動速度和加速度。

在地球地理測繪中,全站儀是最經常使用的角度和經緯度檢測儀器設備。Leica Geosystems公司是一家總部設在Ostschweiz市的高精度檢測儀器生產廠商,在德國的慕尼黑、柏林、Karlsruhe和Düsseldorf等地都設有自己的銷售代理商。這是一家擁有200多年地理測繪儀器生產經驗的企業,時至今日還通過不斷地推出創新性的新產品而名揚四海。例如,自高精度的WILD T3型精密經緯儀投放市場75年之後,其精度和可靠性仍然非常令人信服。這家瑞士公司以其最新的全站儀Leica TS30(圖1)向世人證明:他們的產品在地理測繪的精確性和可靠性方面又提升到了一個新的水平。


圖1 新型的地理測繪全站儀Leica TS30:代表更精確、高可靠性角度和距離檢測的最新水平。
在確立這一最新水平的過程中,其使用的驅動技術發揮了關鍵性的作用

新一代地理測繪全站儀

新型Leica TS30型全站儀使用Leica精密稜鏡(GPH1P)時的角度檢測精度為0.5"(按ISO 17123-3標準),距離檢測精度為0.6mm+1ppm(按ISO 17123-4標準),對任意自然地形地貌的檢測精度為2mm+2ppm。除了檢測精度之外,新型全站儀精確的定位精度和極短的檢測時間也是用戶選擇這種地理測繪儀的一個重要指標。新型Leica TS30以其很高的迴轉運動加速度和速度,以及儀器和鏡頭精確的運動方式而徵服了用戶;而且也實現了準確的角度和距離檢測與最佳的自動化相結合。全世界的地理測繪工程師們都對此讚嘆不已,而傳統的驅動技術裝備是無法實現這一技術進步的。

全站儀中能夠安裝驅動電動機的空間非常有限(圖2),但是全站儀的迴轉速度至少要達到180/s,這一迴轉速度是傳統全站儀迴轉速度的4倍。只有採用新的驅動技術,才能保障很高的迴轉加速度和極短的定位時間。這裡需要的是能夠滿足定位精度和可靠性要求、滿足野外環境氣候高要求,以及代表未來技術水平的替代解決方案。


圖2 從全站儀的剖視圖中可以清楚地看到:全站儀旋轉機構的安裝空間非常有限

在上面所述的使用環境和要求中,減速傳動所用的典型的傳統直流電機迴轉步進電機將會成為全站儀中的薄弱環節,因為所使用的機械零部件必然要有磨損。還有,在某些使用環境中,機械部件運動時所產生的噪聲是人們所不希望的,例如在長達幾周的24h監控檢測時,或者市內工作時。在經緯儀市場上,除了傳統的步進電機這一解決方案之外,還有電磁力直接驅動的解決分案。但精密檢測時電磁直接驅動技術不能採用機械止動方式來實現精確的定位,只能用電力止動的方式來解決;而在經緯儀、全站儀這類移動應用的情況下,使用電力止動會帶來很高的能源損失和熱能損失。

壓電超聲電動機產生的旋轉運動

全站儀光學儀器的水平旋轉和垂直旋轉運動,採用的都是壓電超聲驅動原理的驅動技術。這一技術使得人們實現了前所未有的高旋轉速度(超過了180/s)和高加速度(可達360/s2)。這種驅動是具有制動能力的驅動,也就是說,在沒有電流的情況下會產生很大的制動力。另外,在旋轉時它幾乎是沒有聲音的,其工作環境的溫度在-20~50℃,並且免維護。在全站儀中使用的這種壓電超聲電動機(牌號為Kastentext)是由Karlsruhe市的Physik Instrumente公司研發並生產的。這家企業在微米級和納米級定位技術領域中已經有30多年的從業經驗了,也是當今世界上技術領先的企業之一。圖3為使用壓電超聲電極的生物分選裝置和微電子顯微鏡,由於其非常小的安裝空間,使它們能夠方便地集成到現有的儀器設備之中。
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