二维微动工作台微位移机构特性研究

　　微动工作台的高精度运动和定位是由微位移机构、位移检测装置和反馈控制电路3部分组成的闭环系统来实现的。其中微位移机构定位精度和响应特性,对微机电系统的工作性能和控制系统的设计有较大影响。本研究结合二维微动工作台的设计,建立了二维微位移机构的机电耦合模型,分析了其工作特性及影响因素,以此作为改善设计的依据。

　　1二维微动工作台系统组成和工作原理

　　精密二维微动工作台系统结构原理框图如图1。其中微位移机构是采用杠杆与柔性铰链结合的整体式结构,利用叠层式电致伸缩陶瓷作为驱动器(图2)。其机构原理如图3。整个机构由两组杠杆平行四边形机构组成,在第一组杠杆平行四边形机构ABD-ECHG中,电致伸缩陶瓷驱动器M加上电压后在B点产生的微量位移,经杠杆放大拉动平行四边形机构ECHG,使连杆P产生y方向的位移。在连杆P上的另一组杠杆平行四边形组合机构abd-echg,在驱动器N驱动下,使连杆S产生x方向位移,这样最终实现了连杆S的二维移动。

　　微位移的测量采用分辨率为0·01μm的双频激光干涉仪,检测到的位移量与预调值比较后由计算机控制可调电源的输出电压,使电致伸缩陶瓷产生微量变形,从而实现工作台的微量移动和高精度定位。此外,工作台的控制系统还可自动补偿x、y两个方向位移之间的相互影响所造成的定位误差。该微位移机构行程可达200μm,其定位精度优于±0.3μm。

　　2微位移机构的特性分析

　　微位移机构由电致伸缩陶瓷驱动器和杠杆柔性铰链机构组成,因此电致伸缩陶瓷驱动器和杠杆柔性铰链机构的输入输出特性直接影响微动工作台的响应速度和定位精度,也是控制系统设计中确定数据采集速度和调整速度的依据。

　　2.1电致伸缩陶瓷驱动器

　　电致伸缩陶瓷驱动器为烧结成一体的叠层结构,如图4所示,极板间的铌镁酸铅陶瓷(PMN)在电场作用下伸缩变形,其应变与电场强度的关系为

式中,S为应变,E为场强(V/m),M为电致伸缩系数(m2/V2)。

　　根据平板电容器内部场强E与极板上的驱动电压U的关系U=Ed,由式(1)可得驱动器的输出位移x为

式中,n为驱动器的层数,d为极板间距(mm)。

　　2.2微位移机构机电耦合模型

　　铌镁酸铅陶瓷的相对介电常数大,因此在设计微位移时,要考虑驱动器电容充放电的暂态过程对机构响应速度的影响。图4为驱动器的等效电路,其中R为驱动电源的输出电阻。微位移机构主体采用杠杆柔性铰链一体化结构,柔性铰链体积小、无机械摩擦、无间隙、分辨率高;在机构运动时,铰链不仅起着连接和支点作用,也起到弹性恢复作用。由于微位移机构的定位精度要达到亚微米,故柔性铰链以及机构构件的弹性对机构输出特性的影响不可忽略。因此,结合驱动器的输入输出特性,该微位移机构可简化为图5所示的机电耦合模型。其中, U为驱动器的输入电压,x为驱动器的驱动位移,经杠杆放大为x1=λx(λ是杠杆倍率),K1为杠杆的综合刚度,K2为柔性铰链的综合刚度,m为工作台及其支承的质量,y为工作台的位移,μ为阻尼系数。