五自由度纳米级定位工作台的设计研究

　　0　引言

　　纳米级微定位技术在超精密加工和精密测量中有着重要的应用。随着纳米技术的快速发展,纳米定位技术已成为纳米测量和原子操作工程走向产业化的前提条件和技术基础。

　　纳米定位大都可以通过具有单自由度或者多自由度的高精度定位平台实现,其中多自由度纳米级定位平台是研究的重点和难点,国内纳米级精度定位平台的研究多数为平动装置且多为三自由度以下[1~4]。

　　为实现纳米级的定位精度,最常用和有效的方法是采用柔性铰链作为传动导向元件,采用压电/电致伸缩元件为驱动器。从结构形式上考虑,为了实现多自由度运动,可以采用并联式结构,但是采用柔性铰链形式的并联式结构[5~8],不仅加工和装配不便,而且是多级耦合[9],控制过程非常复杂。此外,并联机构通常采用驱动器内置位移传感器的方法将所测值作为输入量,由于加工和装配误差及变形等因素,根据此输入量通过运动反解得出的理论上的输出量与实际量相比有较大的误差。本文提出一种五自由度纳米级精密定位工作台,可以有效地消除运动耦合,控制简单。

　　1　工作台的结构设计及工作原理

　　由于压电/电致伸缩元件本身伸缩量有限,为了增大运动行程,通常采用杠杆式多级放大单轴柔性铰链机构带动由平行四边形机构组成的运动平台[10, 11]。采用该种方法虽然可以有效地增大工作行程,但是位移过程中却带来非功能方向上的运动牵连,在纳米级定位精度范围内,该运动牵连带来的耦合量不可忽略,而且无法进行补偿,因此会影响定位精度。笔者采用双层弹性平行板式导向机构及柔性八杆机构实现平移运动,这两种结构形式可以有效地消除单平行四杆结构形式中存在的牵连耦合位移,而且可以在一定程度上提高抗外界干扰的能力。通过对八杆机构连杆长度及位置等参数的选择,可以有效地对压电/电致伸缩驱动元件的输出位移量进行放大。精密定位工作台的转动功能通过旋转型柔性铰链实现。

　　定位平台工作原理如图1所示。图1a是为了验证工作台导向机构刚度建立的有限元模型(SOLID92单元)。xy平面上的运动包含对x轴和y轴的平动及对z轴的较小转动,垂直于xy平面的　　运动包含一维平动和转动。图1b中动平台1的y向移动采用双层弹性平行板式移动导向机构。相对于平行四边形导向结构,该种结构在运动过程中不会产生牵连位移,抵抗非功能方向上的外载的能力很强,在较小的变形下,弹性平板刚度不变,导向的线性度非常好,而且便于加工。动平台1在x方向的移动由平台2带动实现,平台2部分的结构与平台1相同。

　　平台绕z轴的转动通过对动平台3施加力矩实现,其结构简图如图2所示。平台两侧驱动力F1、F2相等,等效于在平台3中心施加力矩M,使平台3绕几何中心转动。同时,由于F1、F2不完全相等及加工误差等因素使转动过程中带来的x向和y向的耦合位移可以通过调整动平台1、2进行补偿。如果需要更大范围的转角,可以在上述结构的基础上,在xy平面内采用文献[12]提出的方法来实现。