精密微动工作台二维微位移机构的设计研究

    1　引言

    微机电系统在尺度上可以是本身尺度很小的系统,如集成电路、微传感器等,也可以是高度集成的超小型系统,如微型遥控飞机、机电液高度集成的化学分析仪器等,或本身尺寸不小,但其作用对象很小的系统,如基因工程中的显微操作系统等。因此,在微机电系统以及微机电系统制造设备中,要求工作台具有较长的行程(十几毫米至几十毫米)和高的定位精度(亚微米甚至纳米级)。对行程达几十毫米的工作台,采用滚珠丝杆驱动、滚动导轨支承。要实现亚微米级的定位,必须对传动机构和支承导轨的加工装配提出极高的要求,为此可采用粗、精两个工作台,粗工作台完成大位移,而高精度定位由微位移工作台实现。其中微位移工作台的微位移机构能否易于实现稳定的微位移和准确的定位,将直接影响微动工作台的精度、使用和经济性。本研究利用柔性铰链和杠杆放大原理,设计了一种电致伸缩驱动的二维微位移机构,如图1所示;行程可达200μm ;配备双频激光干涉仪和控制电路组成的闭环控制系统,其定位精度小于±0.3μm。

    2　二维微位移机构的组成及工作原理

    微动工作台高精度的运动和定位是由微位移机构、位移检测装置和反馈控制电路三部分组成的闭环系统来实现的。其中位移检测采用双频激光干涉仪分辨率0.01μm。微位移机构是采用杠杆原理与柔性铰链结合的整体式结构,利用叠层式电致伸缩陶瓷作为驱动器,如图1所示。其机构原理如图2,整个机构由两组杠杆平行四边形机构组成,在第一组杠杆平行四边形机构ABD-ECHG中,杠杆ABD和杠杆EDC组成一二级杠杆机构,其中A、E分别为两根杠杆的支点。电致伸缩陶瓷驱动器M加上电压在B点产生的微量位移,经两级杠杆放大拉动平行四边形机构ECHG,使连杆P产生y方向的位移。同理,在连杆P上也有一组杠杆平行四边形组合机构abd-echg,在驱动器N驱动下,使连杆S产生x方向位移,这样最终实现了连杆S的二维移动。

    X、Y两个方向的杠杆倍率Kx、Ky分别为:

    在本研究中,Kx、、Ky均设计为10,这样只要求驱动器M、N的位移达到20μm,就能使工作台达到200μm的行程。采用杠杆放大机构减少了叠层电致伸缩陶瓷驱动器的体积和层数,从而限制了驱动器的电容,缩短了冲放电时间,使机构的响应速度提高。由于采用柔性铰链,无间隙,无摩擦,无爬行,无需润滑,故该工作台结构简单紧凑,定位精度高,易制造,成本低。

    工作台的主要参数为:

    行程200μm