一种新型三自由度微定位新方法

　　0　引　言

　　随着工业技术的进步,精密定位技术在半导体微电子电路制造、光学组件生产、超精密加工、材料表面原子结构分析、生物医学工程等领域得到了广泛的应用[1]。目前,精密定位系统从驱动形式有压电陶瓷式[2]、音圈电机式、直线电机式、电磁线圈式[3]等。其中压电微动工作台由于其高的定位精度被广泛应用于各种微定位系统中[4-5]。

　　本文设计了一套精密的三自由度微定位系统。它采用空间并联结构,利用压电陶瓷驱动器逐层控制各工作台,将各层工作台的位姿变化传递给目标工作台,最终实现对目标工作台X、Y、Z向三自由度的位姿控制。

　　1　微定位工作台工作原理

　　1.1　微定位工作台结构

　　微定位工作台如图1所示。它由4个工作台与12个压电陶瓷驱动器组成。各个工作台的位姿由下层的四个压电陶瓷驱动器控制。工作台d为运动输出平台即目标平台;工作台c与b共同配合实现工作台d的X、Y向位姿控制;工作台a用于Z向位姿控制以及进行由工作台c与b对工作台d进行X、Y向位姿控制时带来的Z向位姿误差。压电陶瓷驱动器由压电陶瓷,压电陶瓷过载保护器[6]与运动铰链组成,三者一体加工,提高了系统允许载荷,保证了运动传递的连续性、无摩擦、高精度。

　　1.2　微定位原理

　　微定位系统的定位原理如图2所示。工作台厚度h;压电陶瓷驱动器高度h1;工作台中心与压电陶瓷驱动器中心距离为l;工作台c的底部中心定义为o;工作台d的底部中心定义为o1,其顶部中心定义为o2。

　　图2(a)所示是系统上电后的初始状态。目标工作台的三自由度位姿控制都是在此状态的基础上实现。

　　图2(b)是系统进行x向位姿控制。工作台b上x向的两压电陶瓷驱动器分别伸长和缩短σ,使得工作台c以o点为中心逆时针旋转θ角;然后工作台 c上x向的两压电陶瓷驱动器分别伸长和缩短σ,使得工作台d以o1点为中心逆时针旋转-θ角。此时目标工作台d中心点o2的X向坐标偏移为:

　　此时由工作台c与d的两次旋转,造成工作台d沿z向一个位置误差,此位置误差的大小为:

　　为了弥补这一误差,所以应给予工作台d一个z向位姿补偿,通过工作台a上各压电陶瓷伸长2h - (h1+2h)cosθ实现。

　　图2(c)所示是系统进行y向位姿控制。定义工作台c与d分别旋转β与-β,其控制过程与x向类似。目标工作台d中心点o2的Y向坐标偏移与Z向位置误差分别为

　　图2(d)为系统进行Z向位置控制。通过工作台a上各压电陶瓷分别伸长Δhz(5)实现。