压电驱动三维超微定位平台的性能研究
随着科学技术的发展,超微定位技术己成为精密工程领域的关键技术之一。微型机电系统的制造与检测、大规模集成电路的生产、超精密机械加工及其精密测量、微操作机械手等,都离不开超微定位技术。要达到纳米尺度的重复定位精度,目前一般都采用无摩擦、无间隙的柔性工作台和压电陶瓷驱动装置,并结合传感器闭环或其他控制方式来实现。在实际应用中,纳米尺度精度的获得往往取决于几个关键技术的解决,如机械结构设计的合理性以及柔性铰链的加工对称性、压电陶瓷的性能改善与微定位工作台的静、动特性研究等。为了实现在机械手上的超微定位,对由WTDS15130102H型压电陶瓷微位移器组成的柔性定位工作台进行了研究。
1 压电陶瓷微位移器工作原理及电学模型
利用压电陶瓷片的电致伸缩效应,压电陶瓷在微机电系统中可用作致动器,这类致动器具有价廉、质轻、小巧、易于与基体结合,响应速度快,微小位移输出稳定等优点[1]。
陶瓷片在直流电场作用下产生的应变与电场强度的平方成正比,其电致伸缩的方程为
S=ME2 (1)
式中 S为电场方向的应变;M为电致伸缩系数;E为作用电场强度。实际中常用的层叠式压电陶瓷微位移器的总伸缩量L为
L=nMU2/h (2)
式中 n为陶瓷片数;U为外加控制电压;h为每片压电陶瓷厚度。
图1为压电陶瓷微位移器的电学模型。
由式(2)可知,压电陶瓷微位移器的位移与电压的关系为x(t)=nMU2/h,如令K=nM/h,那么微位移器的位移与电压的关系可简化为
x(t)=K×u2o(t) (3)
由电学模型,在ui(t)为单位阶跃输入时,可得 到压电陶瓷微位移器的传递函数为
2 三维超微定位平台的设计
为了实现纳米级的定位精度,必须采用合适的导向机构。基于柔性铰链的机构具有无机械摩擦、无反向间隙、超高分辨率、易于加工等特点,它与压电陶瓷器件相结合将能实现纳米级定位。为此,给出一种以双柔性平行4杆结构和柔性8杆对称联动结构为导向机构、压电陶瓷为驱动器的三维超微定位机构[2]。
2.1 柔性铰链导向机构
柔性铰链是一种圆弧切口结构,利用其受力弯曲产生的有限角位移,可达精密定位的目的。为了满足超微定位的要求,在定位机构中采用具有良好导向性能的双柔性平行4杆结构(见图2(a))。双柔性平行4杆结构呈对称性,不仅能有效地消除单平行4杆结构中存在的交叉耦合位移,而且能在一定程度上减低外界干扰。柔性8杆对称联动结构的基本结构如图2(b)所示。该结构的对称性使输出杆不会产生沿运动方向的垂直方向上的耦合运动,从而也具有良好的导向能力。另外,该结构的间接驱动方式能有效地避免工作台面变形的产生。
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