用于二维精密定位工作台的微位移机构设计

　　1引言

　　微位移技术作为精密机械与仪器的关键技术之一，在微机电系统、纳米制造技术、微电子及纳米电子技术、纳米生物工程等众多高科技领域发挥着越来越重要的作用[l]。

　　本文介绍了精密定位系统中的典型微位移机构，并以平行板柔性铰链为基础，设计了应用于扫描探针系统的二维定位工作台，并利用有限元方法对该工作台的静态特性进行了仿真分析。

　　2典型微位移机构

　　2.1平行板柔性铰链机构

　　基于平行板柔性铰链的微位移机构，一般采用压电陶瓷驱动，并通过一组或多组对称分布的平行板带动工作台实现微位移输出，其结构如图1(a)所示，其特点在于:结构紧凑;非工作方向上刚度大;结构对称，藕合位移小;易于实现高频响;易于安装位移传感器实现闭环控制[2]

　　2. 2柔性支承机构

　　柔性支承机构用于绕轴做复杂运动的有限角位移，它的特点是:无机械摩擦，无间隙，运动灵敏度高，其结构如图1(b)所示。同平行板机构相比，柔性支承机构柔性好;位移分辨率高;其存在的主要问题在于:难以实现紧凑的结构设计;位移藕合严重，且随输出位移的增大，藕合程度加深;主模态频率较低。

　　3微位移机构的设计

　　3.1一维徽位移机构

　　由于平行板柔性铰链机构可以在保证工作台工作表面面积的前提下缩小整体体积，抑制位移藕合，故在整体设计上采用该结构。考虑到柔性支承机构能够实现较高的位移分辨率，采用其对平行板机构进行局部优化设计，设计一维微位移机构如图2所示。

　　对上述机构进行有限元仿真，计算结果如表1，在输人相同驱动力的前提下，上述优化方法有效地提高了工作台行程，在输入相同驱动位移的前提下，提高了工作台的位移输出精度。同时，如图3所示，应力分布集中的区域由整个平行板转移到了柔性支承处，整体性能得到了改善。

　　3. 2二维徽位移机构

　　二维微位移机构在一维微位移机构的基础上设计完成，如图4(a)所示，其中孔1和孔2用于安装压电陶瓷驱动器，机构3和机构4用于夹持位移传感器探头，其微位移的实现如图4(b)所示，垂直方向上的微位移由A组平行板实现，水平方向上的微位移由B组平行板实现。由于两层平行板机构之间没有间隙存在，故位移输出不会因局部集中变形而缩小，同时单层的结构保证了施加驱动力时不会造成移动台的倾斜。

　　4结论

　　通过利用有限元方法，对常用的微位移机构进行比较和分析，并根据扫描探针系统的应用要求，设计了基于平行板柔性铰链的二维微位移机构。有限元分析的结果表明，上述设计能够改善机构的柔性，扩大行程，提高位移灵敏度和位移输出精度，适用于纳米级精密定位的应用场合。