一维压电式微定位机构的设计研究

　　1　引言

　　随着科技的进步,对设备精度的要求越来越高,微位移技术得到了越来越广泛的应用。目前它主要用于精度补偿、微进给和微调三个方面。精密工作台是高精度仪器和设备的核心,其性能优劣直接影响整机的精度[1]。当今社会,效率问题成为衡量设备先进性的重要指标之一,因此,先进的设备和仪器中的运动部件正向高速度、高精度发展。但是高速度带来的运动惯量较大,很难实现高精度,例如精密工作台的运动速度已从20 mm/s提高到50 mm/s,先进国家的已达到100 mm/s,这种高速运动的工作台欲实现亚微米级的定位精度是很困难的。为了解决二者之间的矛盾,通常采用粗、精结合的方法来实现。

　　微位移机构由微位移驱动器和微动工作台组成,根据微位移形成机理,可分为机械式和机电式两类。压电陶瓷微位移器件是近年来发展起来的一种新型机电式微位移器件,它具有体积小、结构紧凑、分辨率高和控制简便等优点,并且它没有发热问题,故对精密机械系统无因发热而引起的附加误差,是理想的微定位器件^[2-3] 。本文设计了一种一维压电式微定位机构,并对其微定位原理及定位特性进行了研究。

　　2　定位机构设计

　　2.2微定位机构设计

　　为提高精密机床的定位精度,在精密移动工作台(粗工作台)上增加一层微动工作台(精工作台),来对精密工作台的定位精度进行补偿,图1为定位精度补偿原理。粗工作台实现高速运动,其定位精度为微米级,精工作台在粗工作台定位的基础上,通过控制系统检测粗定位误差,对粗工作台定位精度进行补偿。微定位机构设计如图2a所示,采用柔性铰链与压电陶瓷组合式结构,其间为螺钉联结,二者

　　的装配间隙用垫块来调整。柔性铰链是依靠材料的微小弹性变形来传递位移的^[4] ,具有结构紧凑、无运动副间隙、无机械摩擦等优点,依据定位方向的需要设计结构,可实现一维、二维微位移运动。柔性铰链的结构等效图如图2b所示,此机构属一维y向微位移机构,由于柔性铰链在导过程中输出的不仅仅是沿y向的位移,还有沿x向的附加位移,而这个附加位移必须消除和抑制,以免影响机构在y向的定位精度。采用对称式柔性铰链结构,输入的微位移同时通过左右两条运动链向工作台传递,在理论上便可完全消除x向的附加位移,其位移放大倍数为T=(1+BC/BA)。实际结构设计时,通过选取适宜的T值,便可对微定位机构的输出位移进行放大了。

　　2.2定位机构动力学模型分析

　　图3为微定位机构的简化模型,该定位机构可简化为质量-弹簧-阻尼二阶系统,其动力学方程为