基于微操作的大行程高分辨率旋转微驱动器的研究

　　1　引　　言

　　随着微/纳米技术的迅猛发展,在微小机械零件装配、MEMS组装、细胞操作、精密光学等高技术领域中,迫切需要具有纳米级微动定位能力的微操作机器人系统[1]。作为微操作的核心技术,微/纳米级微驱动技术在相关领域的需求下,成为人们关注的研究热点。在自适应光学系统的研究中,经常需要通过微驱动装置动态改变光束经过的路径参数来获得高质量的光束。高速倾斜镜就是一类常用的驱动装置,它是一种典型的大行程高分辨率微驱动机构。高速倾斜镜的性能优劣很大程度上决定了整个自适应光学系统的性能指标。因而,其关键是研制大行程高分辨率的微动机构。

　　行程和分辨率是微动技术中的一对矛盾,在保证高分辨率的条件下尽可能增大行程一直是微驱动技术的努力方向。许多研究人员在此方向上进行了深入的研究和探讨,提出了多种形式的大行程高分辨率微驱动器[2-3,6-7],其中仿生型微驱动技术[4-5]是这个领域的一项新型技术。

　　2　仿生型旋转微驱动器原理及组成

　　2.1　仿生型旋转微驱动器的原理

　　图1是作者所研制的用于光学镜面微调整的二维旋转微驱动器的工作原理。它是根据自然界爬虫类的爬行方法提出的。其中A、C为箝位装置,B为驱动机构,D为固定镜面,E为活动镜面,F为转轴。初始状态时驱动机构B处于恢复状态,箝位装置A松位,箝位装置C箝位。若要实现顺时针方向转动,则按如下步骤进行:1)箝位装置A由松位变为箝位;2)箝位装置C由箝位变为松位;3)驱动机构B伸长;4)箝位装置C由松位变为箝位;5)箝位装置A由箝位变为松位;6)驱动机构B恢复原长。这样完成了一个动作循环,机构沿顺时针方向转动了一步。重复上述步骤,则微驱动器继续沿顺时针方向旋转。同理可以实现机构的逆时针旋转。

　　2.2　仿生型旋转微驱动器的组成

　　仿生型旋转微驱动器的结构布局如图2所示。其中,箝位装置采用电磁铁箝位方式,驱动机构为压电陶瓷驱动的柔性铰链,并且该机构同相邻部件均采用柔性铰链方式联接。箝位装置采用电磁铁,其铁心结构如图3所示。

　　大气隙时(大于0.1mm),在漏磁导不随气隙变化的磁系统中,并且假定磁路为线性(不饱和)的,则电磁吸力的计算公式为:

　　式中:Uδ———工作气隙的磁压降(A);

　　μ0———空气导磁系数,其值为1.25×(H/m);

　　S———衔铁的作用面积();

　　δ———工作气隙的大小(m)。

　　小气隙时(小于0.1mm),磁极间磁感应近似均匀分布,电磁吸力的计算公式为:

　　式中:B———作用面积S上的磁感应强度(T);