大行程纳米级步进压电微动台的特性研究

　　0　引　言

　　随着现代科学技术的发展,精密定位技术已成为诸多前沿科学、工程领域的关键技术之一,同时,对于精密驱动装置的要求也在逐渐提高,各种纳米级驱动装置不断涌现,它的设计和特性分析也采用科学的方法进行。压电/电致伸缩陶瓷微位移器具有体积小、输出力大、分辨力高、反应速度快,不受电磁干扰等优点,应用较多。其中,基于“尺蠖运动”的各类纳米级步进压电定位技术[1~4],采用正交实验法对柔性铰链进行优化设计[5~8]等已经成熟,达到实用化阶段。本文对大行程纳米级步进压电微动台[9]进行了研究,采用正交实验法(Taguchimethod)选择尺蠖型压电微动台结构设计参数,运用有限元分析方法建立三维大行程纳米级步进压电微动台机构实体模型,进行仿真计算,取得*基金项目:国家自然科学基金资助项目(50105016)压电微动台的固有频率数据和振型,并通过逐步回归分析法建立数学模型,研究压电微动台结构设计参数,分析各因素对固有频率的影响。

　　1　结构设计与有限元分析

　　大行程纳米级步进压电微动台结构如图l所示,主要由夹紧器、驱动器、微动平台、导轨和底座等部分组成。图中,M₁,M₂, P₁, P₂均为压电陶瓷,其中,M₁, P₁与M₂, P₂与导轨、底座、两端的连接块在保证直线性、运动灵活的基础上胶合,形成两端对称的夹持推动装置。由于两端装置的结构和功能完全一致,并且,对称地放置在导轨的两侧,这样,就使压电微动台整体结构的安排更加合理,外形更加美观,同时,又加大了压电微动台的驱动力,增强了运行的平稳性。

　　微运动平台同时为载物台,上面长120mm、宽65mm,压电陶瓷尺寸为8mm×10mm×8mm,互相独立的主要设计因素为载物台高a、壁厚b、导轨宽c、从底座到连接块的高h,其1/2模型如图2所示。

　　为了分析设计参数与位移、固有频率及振型之间的关系,采用ANSYS 9. 0有限元软件和SOLID 92单元建立实体模型,进行仿真实验。压电微动台的压电陶瓷采用PZT5,金属材料参数值如表1所示。对实体 (a=5mm,b=10mm,c=65mm,h=3mm)的第一阶固有频率与振型分析结果如图3所示,其中,f₁=175Hz。

　　从有限元分析结果来看,改变压电步进微动台的结构参数时,微动台位移几乎没有变化,而固有频率和振动幅值的变化较大。当微动台的结构参数发生变化时,前五阶固有频率的各阶的振型保持不变,而频率和振幅则会产生变动。对于进行纳米级运动的压电微动台来说,固有频率和振动幅值是重要的,因此,可以采用有限元分析的方法来寻找最优设计参数.