超精密柔性压电式微位移机构的研究

　　0　引言

　　在半导体光刻、微型机械、精密测量、超精密加工、微型装配、生物细胞操纵和纳米技术等领域,需要十分精确的定位和运动,依靠传统的机械定位方式的定位精度只能达到微米级[1],而在这些高技术领域要求定位精度为亚微米级甚至纳米级,这些高精度的技术要求极大地促进了微位移机构的发展,微位移机构已成为这些领域的关键技术支持。

　　压电陶瓷微位移器件是近年来发展起来的新型微位移器件,它具有体积小、出力大、分辨率高和频响高的优点,并且不发热、无噪声、易于控制,是理想的微定位器件[2, 3]。本文主要针对一种以压电陶瓷作为驱动器的微位移机构进行研究,并将此机构应用于精密、超精密加工领域。

　　1　微位移机构放大原理

　　图1所示为二级微位移放大机构的原理,当在杠杆L1上的点B处施加一个绕点A转动的微位移x1时,杠杆L2将绕点D转动,在点C、点E产生微位移x2,同时在点F处拉动工作台S产生微小位移x3,点B处输入的微位移经过杠杆L1和L2的二级放大作用,在工作台S处得到放大,放大倍数T为:

　　所以:

　　实际应用中,微位移放大机构通常设计成一体化结构,各转动铰链均以图2a所示结构代替,依靠材料的微小弹性变形来传递位移,因而具有结构紧凑、无运动副间隙,以及无机械摩擦等优点,是精密机械中比较理想的微位移机构[4],但图1所示输出的不仅是Y向位移,还存在沿X向的附加位移,此位移在机构放大倍数较大时,对定位精度的影响是不容忽视的,因此在长行程、高精度定位场合不能满足要求。如将机构改进为如图2b所示的对称式铰链结构,则输入位移可同时通过左右两条运动链向工作台传递,理论上可完全消除附加位移,整个机构的刚度也得到较大提高,其微位移放大倍数T为:

　　图2中,F为驱动力,F1和F2为铰链产生的变形抗力。

　　2　柔性铰链结构设计

　　压电陶瓷作为微位移机构的驱动器来使用,是应用压电材料的电致伸缩效应,即由于外电场作用而导致材料的机械变形现象。压电晶体可制成管状或片状,依结构需要,采用片状较为适宜。由于单片微位移太小,一般都是多片层叠粘接使用。压电陶瓷微位移器件虽然是微定位技术中的理想器件,但它存在着位移输出过小的缺点。实验中采用日本TOKIN公司生产的AE0505D16型层叠式压电陶瓷微位移器件(Piezoe-lectric Actuator),其外形尺寸为4.5mm×3.5mm×20mm,在100V直流工作电压且无负载的情况下,其位移输出为11.6μm,而一般微操作都要求定位范围能达到100μm以上,采用对称杠杆原理设计的柔性微位移机构结构如图3所示,压电陶瓷与柔性铰链采用螺钉联结,二者的装配间隙用垫块来调整。放大倍数T取10。