大行程5-DOF微纳传动平台的设计及特性分析

　　0　引言

　　近年来，随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的迅速发展，制造业己经进入“亚微米—纳米”时代。超精密技术的应用已不再局限于国防、航空、航天等少数尖端领域，各种民用领域也开始使用超精密技术，对纳米级精度的定位装置、操作装置等的需求也在快速增长，同时要求此类装置具有大行程、多自由度、大刚度、高稳定性和易于制造等特点。

　　目前，用于微定位、微操作的工作台有磁悬浮工作台、Stewart平台及压电工作台。磁悬浮工作台和Stewart平台运动行程大、实现自由度多，但精度满足不了纳米级要求，且存在构复杂、占用空间大、不易控制等缺陷。基于压电陶瓷驱动的工作台具有精度高、结构紧凑、响应速度快等特点，已被广泛应用于精密光学制造、MEMS技术、半导体工业等精密技术领域。就现有研究水平来看，为了实现工作台的大移动，通常采用宏微两级定位方式来增大行程，以致定位系统复杂、定位速度慢、不易控制[1-3]。压电陶瓷驱动的全柔性工作台无间隙、无摩擦，可实现纳米级定位，但受压电陶瓷位移输出量和工作台自身加工水平的限制，其行程大多局限于微米级，且转角非常小[4-8]。基于尺蠖运动原理的压电工作台[9]解决了行程小的缺陷，但可实现的自由度较少。

　　综上分析，目前可实现多自由度传动的工作台较少，可同时实现多轴大移动、多轴大摆动微纳米级精度的工作台也不多见。为了满足大行程范围、多维传动及定位的要求，本文设计和开发了大行程5-DOF(5-degree-of-freedom)微纳传动平台。应用机构学原理及分析方法建立了该微纳传动平台的运动学模型;基于伪刚体模型对该微纳传动平台进行了理论建模，获取了其各向移动刚度和摆动刚度的特性;通过有限元分析及仿真，验证了微纳传动平台的传动性能及刚度特性，并获取了微纳传动平台沿X、Y、Z向最大移动量及绕X、Y轴最大摆动量。

　　1　微纳传动平台原理及自由度分析

　　根据柔性机构学及机械原理的理论与方法，所设计的大行程5-DOF微纳传动平台如图1所示，其长×宽×高为260mm×260mm×120mm。传动平台由下平台、上平台及5组双极性压电陶瓷驱动器组成(每组4个)，下平台由2个微位移放大机构及2个等效对称机构组成，并由2组压电陶瓷驱动，上平台由3个微位移放大机构组成，并由3组压电陶瓷驱动，保证了微纳传动平台的高精度和快速响应，压电陶瓷与微位移放大机构通过特定胶水粘连。上下平台均由整块材料经钻、铣、磨及线切割等工序加工而成，将上平台固定于下平台，连接处用双螺丝预紧以消除间隙，则传动平台可实现无间隙、无摩擦的微纳位移传动及摆动。