一种超精密压电式微位移机构研究

    半导体光刻、微型机械、精密测量、超精密加工、微型装配、生物细胞操纵和纳米技术等领域,需要十分精确的定位和运动.依靠传统的机械定位方式定位误差为微米级^[1],而在这些高技术领域要求定位误差为亚微米级甚至纳米级.这些高准确度的技术要求极大地促进了微位移机构的发展,使之成为这些领域的关键技术支持.

    压电陶瓷微位移器件是近年来发展起来的新型微位移器件,它具有体积小、出力大、分辨率高和频响高的优点,并且不发热、无噪声、易于控制,是理想的微定位器件^[2,3].本文对一种以压电陶瓷作为驱动器的微位移机构进行了研究,并将此机构应用于精密、超精密加工领域.

    1　压电式微位移机构的设计

    压电陶瓷作为微位移机构的驱动器来使用,是应用压电材料的电致伸缩效应.压电晶体可制成管状或片状,依结构需要,采用片状较为适宜.由于单片微位移太小,一般都是多片层叠粘接使用.压电陶瓷微位移器件虽然是微定位技术中的理想器件,但它存在着位移输出过小的缺点.实验中采用的日本TOKIN公司生产的AE0505D16型层叠式压电陶瓷微位移器件(Piezoelectric Actua-tor),其外形尺寸为4·5 mm×3·5 mm×20 mm,在100 V直流工作电压且无负载的情况下,其位移输出为11·6μm,而一般微操作都要求定位范围能达到100μm以上,因而必须采取适当的措施放大压电陶瓷的输出位移.柔性铰链属于一种弹性变形件,是绕轴有限角位移复杂运动的弹性支承,可对微位移进行放大和导向.本文设计的微位移机构就是采用柔性铰链与压电陶瓷组合式的结构,压电陶瓷与柔性铰链采用螺钉联结,二者的装配间隙用垫块来调整.

    2　压电陶瓷驱动微位移机构模型分析

    由压电陶瓷构成的微位移驱动器可实现精密进给和机构定位准确度自动补偿,此机构执行部件的物理模型如图1所示,其动力学方程为

其中,m是机构的总质量,ks是予紧弹簧的弹性系数,U和I是加在压电陶瓷上的电量,c是阻尼系数.

    根据压电陶瓷的电位移特性,当驱动电压U大于某个值以后,位移与电压成正比,则x= kU,

由于ξ<1,故上式所表示的系统是一个二阶欠阻尼系统,其增益系数很小,G(s)的不稳定性将对整个机构定位控制影响甚微,可忽略不计.

    3　柔性铰链结构设计

    柔性铰链的基本结构如图2(a)所示.它是依靠材料的微小弹性变形来传递位移,具有结构紧凑、无运动副间隙、无机械摩擦等优点.依据定位方向需要设计铰链结构,可实现一维、二维微位移运动.文中设计的机构属一维微位移机构,以实现Y向微位移.由于柔性铰链在导向过程中,输出的不仅是沿Y方向的位移,还有沿X方向的附加位移,这个附加位移必须消除和抑制,以免影响机构Y方向的定位准确度.采用如图2(b)所示原理设计的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方向附加位移,其位移放大倍数为T =(1+BC/AB).实际结构设计时近似取T=10.