摘 要:提出并研究了一种空间分布压电驱动的多自由度微定位新技术。采用多个压电驱动器的空间并列分布实现六自由度精密微定位。本文作者阐述了微定位原理,建立了载物台位姿与驱动器伸缩量之间的关系,介绍了微定位装置的构造。
1 引言
随着科学技术的发展,航天技术、微电子工程、光学与光电子工程、以及目前蓬勃发展的MEMS(Micro-ElectroNIcs and Mico-System)等技术领域都迫切需要高精度、高分辨率、能灵活控制的多自由度微定位系统,用以完成高精度定位。尤其在MEMS系统的发展过程中,多自由度微定位技术更是阻碍其发展的瓶颈,已成为其走向产业化的前提条件和工作基础。
现有的微定位机构大致可分为以下几种:扭轮摩擦传动式、机械传动式、热变形式、弹性变形传动式、磁致伸缩式、压电陶瓷式[1]、柔性铰链式[2]、直线电机式,还有其他如形状记忆合金、电致伸缩式和滚珠导轨式等。由于压电结构避免了机械结构造成的误差,具有结构简单、尺寸小、频响高、分辨率高、发热少、刚度高以及无杂散电磁场和便于遥控等优点,因而在微位移技术中应用最为广泛[3]。
2 微定位原理
压电材料具有压电效应,即当沿着一定方向对其加力而使其变形时,会在一定表面上产生充放电现象;另一方面,在极化方向施加电场,就会在一定方向上产生变形或机械应力,这是逆压电效应[4]。我们就是利用压电材料的逆压电效应设计了一种多自由度微定位系统。在平板间夹放并列分布的压电驱动器,对其通以不同电压,使其分别产生伸长或压缩,各驱动器同时作用,形成载物台在不同方向上的微动。
图1是微定位机构除绕z轴回转外的五自由度的基本动作原理。其中图1(a)是压电元件上未施加电压的初始状态;图1(b)是各压电驱动器同时伸展δn的状态;图1(c)是使载物台向x方向驱动的状态;利用下部驱动器使中间平板偏转βx,再控制上部驱动器使上层平板相对于中间板偏转-βx。此时上层平板在β方向没有产生偏转,只在x方向平移。其位移量为
式中 h1、h2分别是下部和上部铰链到上层平板上面的距离;w是从载物台中心到驱动器的水平距离;δx是向x方向平移进各压电驱动器的伸缩量。
图1(d)是载物台向β方向偏转的状态;利用下部驱动器使中间板倾斜β1,然后运用上部的驱动器使上层平板相对于中间板倾斜β2,为使上层板不产生x方向移动,β1和β2的关系为
式中 δβ1和δβ2是为实现β方向偏转下部和上部驱动器的位移量。
图1(e)是载物台向z方向移动的状态。下部各驱动器位移δz1,上部驱动器位移δz2,则在z方向的总位移量为
z=δz1+δz2 (4)
y方向和a方向的动作也类似地实现。
图2为γ方向动作的简化原理示意图。
图2(a)为基准状态,图2(b)是将各驱动器同时伸长δγ的情况。这时载物台上任取的点p随着驱动器的动作而移动到点p′,则γ方向的回转角
式中 φ为楔形台倾角;δγ为三个驱动器的伸缩量。γ方向回转对x、y、α、β各方向不产生原理上的运动干涉,但却伴随有Ζ方向的并行运动成分。转角为γ时,z方向的位移为
zγ=δγcosφ (6)
此干涉成分可通过前述五自由度微定位机构在Z方向位移-zγ加以消除。
至此,已实现六个自由度的微动。将γ方向的回转机构与前述五自由度微定位机构组合,即可构成六自由度微定位机构。
3 新型微定位装置系统集成
为实现六自由度微定位,且保证系统微小化,我们采用压电驱动器的空间并列分布模式。系统构造如图3所示,在四层平板间夹放并列分布的PZT驱动器,构成一体化的微定位机构。
最上层驱动器用来实现绕Z轴回转,即γ方向的运动。将每个PZT驱动器上下与平板间各安装一个楔形台,楔形台倾角设为φ。3个驱动器以120°间隔分布在以载物台中心为圆心,r为半径的圆周上。
下面两层驱动器完成除γ方向外的五自由度微动。同层驱动器摆放在边长为2W的等边三角形
的顶点。设PZT微驱动器的伸缩量矢量为
D=[δ1δ2δ3δ4δ5δ6δ7δ8δ9]
其中δi(i=1,2,…,9)为第i个PZT微驱动器的伸缩量。
设xy为上层平板(载物台)沿X、Y坐标轴的平移量,z1为中间平板1相对于底层板在z方向的位移量,z2为两个中间板间沿z轴的相对位移量,α、β、γ为上层板绕坐标轴的偏转角度。
其中A是由系统固有设计参数确定的传递矩阵。由此,根据对载物台的位姿要求,可求出各驱动器的位移量。
综合式(1)～(6),若γ方向所产生的z方向的干涉由z1和z2均担,h1与h2的差值设为h3,则矩阵A可用几何学求得。
由于PZT驱动器的压缩强度很高,但剪切强度较弱,为了不把这些破坏性的载荷直接加到驱动器上,专门设计了驱动器托架用来承载剪切方向的荷重。托架结构如图4所示。除z方向外的其他方向驱动时,都会引起托架与平板扭曲变形,造成定位误差,因此,在驱动器托架与平板间用圆柱形弹性铰链连接,用以吸收扭曲。
4 结论
采用本文提出并研究的空间分布压电驱动器的多自由度微定位新技术,设计研制超微定位装置,能有效消除各运动方向间的交叉耦合,提高定位精度,实现空间六自由度精密微定位。
(1)采用PZT驱动器实现多自由度微定位,可避免后冲等惯性误差。
(2)驱动器的空间并列分布模式有利于实现装置小型化,使定位系统结构简单。应用没有滑动部分的圆柱形弹性铰链导向,能有效吸收扭曲,且可避免因杠杆滑动等引起的定位精度降低。
(3)由于驱动器被插入托架中,致使整个装置刚性高,载荷大。
本文的研究结果为超微型工作台的研制提供了新技术和新方法。据此研制的工作台可望用于光电器件生产过程中的精确耦合、MEMS领域的光刻二次集成封装、以及其他高科技领域的精密调整。
参考文献:
[1] WANG Z X,JOUANEH M K,DORNFELD D.Designand characterization of linear motion piezoelectric mi-croactuator[C].Scottsdale Proc IEEE Int Conf RoboticsAutomat, 1989:1 710-1 715.
[2]久曾神煌,山本刚照,矶部浩已.压电素子を用いた高刚性多自由度微动机构(第3报)—简易型5自由度机构开登[J].精密工学会志,1997,63(2):223-227.
[3] LEE K M,ARJUNAN S.A three-degrees-of-freedommicromotion In-parallel actuated manipulator[J].IEEETrans Rob Autom,1991,17(5):634-641.
[4]曾友章,秦 岚,赵廷超,等.机电一体化技术及系统[M].重庆:重庆大学,1996.
本文作者：秦 岚 蔡秀梅 彭 慧 刘京诚 潘英俊
