三自由度精密定位工作台的设计与仿真

    目前,微纳米级定位工作台在精密加工与精密测量、微电子工程、生物工程、纳米科学与技术等领域内的作用已越来越重要,应用越来越广泛^[1-3],对其要求也越来越高,不但要具有微纳米级的定位精度,且要有较大的运动行程,同时,还要具有优良的稳定性和刚度及快捷的响应速度等^[3-4]。压电陶瓷驱动器具有位移分辨率高,刚度大,输出力大,无发热,能量转换效率高和控制简单等特点,是精密定位的理想驱动元件^[2-3]。但压电陶瓷驱动器的输出位移范围一般较小,即使是层叠式的压电陶瓷驱动器也仅有几至几十微米的输出位移,使其应用范围受到一定限制。实际使用中常需要对其输出位移进行放大^[5]。柔性铰链作为一种新型的传动结构形式,具有无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高和加工简单等优点,特别适宜用作精密定位领域的传动机构^[5-9]。本文利用压电陶瓷为微位移驱动器,以柔性铰链机构为位移传递和位移放大机构,设计了一种三自由度的精密定位工作台,在分析和计算放大机构的位移放大倍数和静态刚度基础上,建立精密定位工作台的输入输出方程。

    1　结构组成及工作原理

    设计的三自由度精密定位工作台(见图1)由上平台、微位移放大机构、压电陶瓷驱动器和基座等组成。上平台与基座间由4个微位移放大机构相连,4个微位移放大机构均匀布置,相隔90°。当对压电驱动器施加电压,驱动器随之伸长,经柔性铰链放大机构放大,在输出端得到一个放大的输出位移,经过球形柔性铰链带动上平台运动。

    上平台和基座的厚度分别为10 mm和20 mm,半径分别为85 mm和90 mm,工作台总高度为136 mm。

    2　微位移放大机构

    微位移放大机构由差式二级放大机构组成。由于采用了差式放大结构可获得较大的放大倍数,较小的误差。图2为微位移放大机构,A处安装压电陶瓷驱动器。当压电陶瓷驱动器有一个向上的位移时,E、F、H各点处的运动方向分别如图2中箭头所示,最后通过点H输出放大后的位移。H点的输出位移与A点输入位移之比即为微位移放大机构的放大比。

    2.1　柔性铰链设计

    柔性铰链是一种带圆弧或矩形切口的一体化新型铰链。本文选择直圆形柔性铰链,其切口是圆弧状的,结构参数如图3所示。图3中r为柔性铰链的切割半径, t为柔性铰链最小厚度, b为柔性铰链的宽度, h为柔性铰链的高度。柔性铰链的刚度K_aZ主要决定于铰链结构参数b、r、t以及材料的弹性模量E^[9]。设计柔性铰链各结构参数b=12. 5 mm,r=2. 5 mm,t=0. 5 mm。