纳米级定位精度弹性位移缩小机构的仿真与实验

　　随着生物工程、空间光学、微电子制造、超精密加工、纳米技术等领域的发展,要求致动器具有大行程高灵敏度,其行程达到毫米量级而分辨率要达到纳米量级,这使传统的致动器难以达到要求.目前主要采用宏微动组合方案实现大行程高灵敏度.微动部分的致动器多采用压电陶瓷,但压电陶瓷存在非线性、迟滞等误差,特别是在位移量较大时,这些误差尤为突出,而且在空间应用也受到限制[1].本文采用一种弹性位移缩小机构作为宏微动组合机构的微动部件,其理论分辨率可达到纳米级,在工作范围内有良好的线性度.

　　1　弹性位移缩小装置理论建模

　　弹性位移缩小机构是一个柔性机构,机构的运动副由柔性铰链组成.柔性铰链不存在摩擦、磨损和间隙,所以柔性机构可以高精度地传递运动,同时不引入新的误差.弹性位移缩小机构可以把输入的位移量缩小,同时把输入的误差也相应缩小,由此实现高精度的输出.本文采用了图1所示的一种弹性位移缩小机构[2—3],该柔性机构可以实现位移的缩小.弹性位移缩小机构的小变形部分采用了圆弧型柔性铰链,可保证变形旋转中心较好地定位;大变形部分采用了直梁型柔性铰链,可以保证大变形要求.

　　目前对直梁型和圆弧型柔性铰链的理论分析模型有较多的探讨[4—7],主要是应用材料力学的相关理论推导其刚度公式.直梁型和圆弧型柔性铰链结构如图2所示.

　　由于本文采用的柔性机构是具有集中柔度的全柔性机构,因此采用了柔性机构的刚体模型[8—10],把弹性变形机构的变形区作为转动副,非变形区作为刚体.柔性机构可简化为刚体模型.由于这种弹性机构具有对称性,故仅利用其1/2建立刚体运动模型,如图3所示.

　　设刚体模型在初始位置时,r1杆为水平位置, r2与水平夹角θ2=80°,r3与水平夹角θ3=80°,B点水平位移为x1,竖直位移为y1,r1=19.2 mm,r2=18 mm, r3=14.4 mm.根据几何位置关系可得

　　2　仿真模型

　　有限元方法在柔性铰链的分析阶段是比较有效的[11].本文应用有限元软件ANSYS建立了弹性位移缩小机构等比例模型,然后按图4所示给有限元模型施加了边界条件.有限元模型的下方为固定约束,在输入处施加位移边界条件,输出边为计算结果.整体模型采用自动划分网格的方法,单元采用SOLID92,单元数总数为135 224.弹簧钢基本性能参数如下:弹性模量E=220 GPa,泊松比μ=0. 3.

　　3　实验平台的搭建

　　图5为宏微动实验系统的示意图,其中宏动装置采用了步进电机驱动减速机构,然后带动螺母和精密丝杠实现直线位移输出,其精度可达到1μm,行程25mm;微动机构的丝杠进给机构采用的是PI公司的M230. 10S致动器,该致动器是由步进电机驱动减速齿轮,然后由丝杠实现直线输出,在丝杠输出顶杆部分增加了弹性位移缩小机构,其分辨率为10 nm,行程10μm.干涉仪采用的是德国捷耐双频激光干涉仪ZLM800,其分辨率为2. 5 nm.整套实验系统搭建在±0. 1℃精密恒温间内,实验台与地基之间采用TMC公司的Stacis2000主动隔振器.弹性位移缩小机构的照片如图6所示.