GMM蠕动微位移机械的研究

　　1引言

　　蠕动微位移机械是指这样一类装置:它能够象自然界的尺镬(一种蝴蝶的幼虫)那样作连续的步行运动，其步距一般在微米数量级，最小步距可达4纳米，行程可达几百毫米，运动速度一般在毫米/秒数量级。这类装置诞生于本世纪六十年代，最初用于精密仪器，如隧道扫描显微镜的聚焦调整上[1]，随后，又被用于超精密加工机床的进给装置〔2〕。目前，随着超大规模集成电路(V LSI)技术的进一步发展，刻蚀线的间距已缩小到纳米级，因此，蠕动微位移机械在VLSI领域的应用已是呼之欲出。而蠕动微位移机械的应用还不仅限于上述领域，在机器人遥感现场研究中，也可以看到它的身影〔3)。到目前为止，多数蠕动微位移机械是采用压电陶瓷(简称PZT)构成执行器的[4][5]，七十年代以来，出现了一种新型超磁致伸缩材料(简称GMM ) , GMM与PZT相比，具有变形量大，工作电压低，响应速度快，耐恶劣工作条件，能量转换效率高等优点〔6〕。因此，研究GMM蠕动微位移机械具有重要的意义。

　　2 GMM蠕动微位移机械的结构

　　我们利用国产的GMM棒(尺寸 Φ10X 100)研制成蠕动微位移机械。其整体结构如图1(a)所示:A,C为吸紧机构，B为伸缩机构。吸紧机构采用了电磁铁式的结构(图1(b))，当线圈通过电流时，在壳体，芯棒和导轨表面间产生了电磁吸力，将吸紧机构紧紧地吸附在导轨表面，产生吸紧动作。伸缩机构的结构是由GMM棒、挡铁、前端盖、套筒、后端盖形成闭合磁路(图1(c))。当线圈内有驱动电流通过时，产生电磁场，GMM棒在此电磁场作用下伸长，推动挡铁沿轴线方向向外运动，产生伸出动作;驱动电流为零时，GMM棒复原，在簧圈的作用下挡铁缩回，产生缩回动作。簧圈除保证挡铁在线圈失电时能可靠缩回外，另一个作用是给GMM棒产生一个预压力，以取得较大的伸长量〔7〕。

　　3 GMM蠕动微位移机械的运动原理及控制方式

　　GMM蠕动微位移机械的运动原理是在研究尺蟆的爬行过程的基础上，根据一周期内节拍数最少的原则确定的，其动作顺序如图2所示:初始状态，A,B均失电，A处于松开状态，B未伸长，C通电吸紧，以保证在无驱动脉冲信号输出时，蠕动装置能够可靠保持原位(图2(a))。在运动过程中，首先A通电吸紧，B仍失电未伸长，C失电处于松开状态(图2(b));然后A仍通电吸紧，B通电伸长，C仍失电松开(图2(c));接着A通电吸紧，B通电仍伸长，C通电吸紧(图2(d));最后A失电松开，B失电缩回，C仍通电夹紧(图2(a'))，回到初始状态，前进了一步。然后进入下一个运动周期，一步一步地前进。对调A,C在动作顺序中的位置，即产生另一方向的运动。