微动工作台的研制及特性研究

　　随着科学技术的发展,在电子、光学、机械制造等众多技术领域中,迫切需要高精度、高分辨率、能够灵活控制的微动系统,用以直接进行工作或配合其它仪器设备完成高精度的研究和使用。是这些需要极大的促进了微位移技术的发展。本工作台正是针对目前的应用背景,在现有的基础上研制的一套压电陶瓷驱动的大行程高精度的宏/微驱动系统,它解决了大行程和高分辨率之间的矛盾。

　　1　微动台的结构和工作原理

　　作为理想的微动工作台,应具有较高的位移分辨率,以保证高的定位精度;还应具有较高的几何精度和良好的动态特性;同时还应满足工作行程的要求。以此为前提,我们设计了压电陶瓷直接驱动的柔性铰链机构。

　　柔性支承微位移机构是近年来发展起来的一种新型的微位移机构,它的特点是结构紧凑、体积很小,可以做到无机械摩擦、无间隙,具有较高的位移分辨率。由于电致伸缩微位移器具有体积小、分辨率高、控制简、响应速度快、性能稳定、无发热等优点,使用电致伸缩微位移器可以很容易实现亚微米级的精度[1],但电致伸缩微位移器的行程很小,为此,根据仿生学原理,研制了尺蠖机构的微动工作台,使工作台的行程达到毫米级而具有较高的定位精度和分辨率,其结构如图1所示。

　　爬行器工作原理:假定爬行器沿图1中箭头方向移动,①微动:只需将电致伸缩器1夹紧,根据所需运动位移给电致伸缩器2加电。②宏动:假定爬行器沿图1中箭头方向移动,开始移动前3个压电陶瓷均为通电,开始工作时,压电陶瓷1首先通电伸长,使柔性框架A部与矩形导轨夹紧;接着压电陶瓷2通电伸长,因A部与导轨夹紧固定, C部自由(没有与导轨夹紧),所以压电陶瓷2驱动B,部柔性铰链并带动C部一起沿箭头方向移动;接着压电陶瓷3通电伸长使C部与导轨夹紧;接着压电陶瓷1断电缩回, A部与导轨松开;而压电陶瓷2断电缩回,因A部松开; C部与导轨夹紧固定B部柔性铰链靠弹性缩回并带动A部一起沿箭头向移动;接着压电陶瓷1通电伸长, A部与导轨夹紧压电陶瓷3断电, C部与导轨松开重复上述步骤,爬行器就象蚯蚓一样沿箭头方向沿导轨移动,因而可实现大行程移动。同理改变压电陶瓷的通电和断电顺序,就可以使爬行器沿图示箭头相反方向沿导轨移动。

　　虽然压电陶瓷具有许多优点,但它也存在一些缺点,如存在蠕变和滞后,以及非线性。因此采用闭环控制方式,用电容测微仪对位移量进行监测,使精度不受上述因素的影响,而只受检测精度和A/D转化量化误差以及控制精度的影响。从而提高了稳定性,其控制框图如图2所示:

　　2　微动台的动、静态特性实验与分析