纳米级XY微定位平台的设计与研究

    0　引言

    超精密加工技术在航空航天和微电子领域具有重要的地位并有广泛的应用前景[1~3]。微纳米加工和定位技术已成为超精密加工的重要研究内容之一。由于压电陶瓷驱动器具有高刚度、高分辨率、无摩擦和磨损以及响应速度快等优点,因而在纳米级的微定位装置中得到广泛应用。弹性铰链导轨利用中间弹性元件的变形提供导向功能,避免了运动部件之间的摩擦[4]。因此利用弹性铰链导轨作为微定位平台的导向机构,能够克服动平台运动过程中的爬行、反向间隙和磨损等缺点,达到提高微定位平台运动精度的目的[5,6]。但是弹性铰链运动方向上的刚度使压电陶瓷驱动器的实际伸长量小于名义伸长量。为了使微定位平台的工作行程达到使用要求,需要增加压电陶瓷驱动器的长度。然而压电陶瓷驱动器的长度又受到微定位平台结构紧凑性的限制。为了解决这个问题,在微定位平台的设计中采用了杠杆原理增加微定位平台的工作行程[7,8]。可是杠杆机构中弹性铰链的运动刚度又会影响压电陶瓷驱动器的输出位移。

   鉴于上述微定位平台设计中的问题,本文详细阐述一类新型二维纳米级微定位平台的结构动态设计方法。建立微定位平台的刚体动力学模型,并试验研究微定位平台的静、动态性能和所建模型的正确性。

    1　结构设计

    二自由度微定位平台的结构如图1所示。该微定位平台的材料采用65Mn高性能弹簧钢,外形尺寸为:300×300×40 mm3。为了提高制造和装配的精度,将微定位平台设计成整体式结构并采用线切割技术加工制造而成。因弹性铰链导轨是保证动平台运动精度的关键部件,为了防止微定位平台在运动过程中发生偏斜现象,采用了对称平行四杆机构来提高动平台的运动精度。同时在加工过程中严格控制每组弹性铰链的尺寸和形状精度,并控制线切割的进给速度避免产生过大的残余应力。在x和y运动方向上,采用德国PI公司生产的P-844.10低压压电陶瓷驱动器。该驱动器的名义伸长量为15μm,分辨率小于1 nm,最大推力3000 N,进给刚度为400 N/μm。因压电陶瓷为脆性材料,其抵抗扭矩和弯矩的能力较差。为了防止压电陶瓷在使用过程中受到弯矩和扭矩的作用,在压电陶瓷驱动器的顶部和驱动点之间加入了一个球形接头环节,这样就形成了赫兹接触形式。因此微定位平台在运动过程中易发生压电陶瓷驱动器和作用点的分离现象而降低微定位平台的动态性能。为了克服分离现象的发生,则需要对压电陶瓷驱动器进行预紧。预紧力的大小通过压电陶瓷驱动器后面的垫片来调整。另外,为了消除压电陶瓷驱动器非线性对微定位平台特性的影响,采用高精度的电容式位移传感器测量动平台的输出并形成闭环反馈回路,通过数字PID控制算法提高微定位平台的动态性能。