摘 要:采用双级结构,以满足驱动器的多种功能要求。利用压电陶瓷的高响应速度特性,设计出基于动力学惯性粘2滑原理的变换机构,实现驱动的自锁与步进;利用液力放大器对驱动力、位移分辨力加以提高。对双级式驱动器进行了实验研究,结果表明,双级式驱动器具有2~3 nm的位移分辨力、不小于200 N的驱动力、良好的自锁性能与位置保持精度。
微位移驱动器在光学元件调节[1~3]、精密仪器[4~8]、生物操作、微细加工设备、光纤对准等许多场合是决定系统精度的关键执行器件。目前较为典型、广泛应用的微驱动器形式是采用压电陶瓷材料(如PZT)、电致伸缩材料(如PMN)制成各种形状,或由薄片粘接制成叠片驱动器[1]、双压电晶片等;其优点是调节精度高、有一定的驱动力,但行程小,无法自锁。在许多特定场合,不仅要求驱动器具备很高的位移分辨力,还要求具备某些附加性能。如在用于坐标调节时,往往同时要求调节行程大(毫米量级)、能无电保持调定的位置(自锁)。这些附加性能的实现通常与位移分辨力相矛盾,例如采用丝杠自锁结构就必然限制位移分辨力。所以,如何同时满足位移分辨力与其他功能要求,是一个较难解决的问题。常见的设计思想是采用变换机构,将单一的位移驱动转换成具备复合功能的驱动。这些机构大多具有巧妙的原理,国外将这类机构归入“SmartStructure”范畴。其中,以压电陶瓷材料、电致伸缩材料、记忆合金等功能材料为驱动源的结构受到关注,因为这种机构往往保持了对应功能材料的某些优点。本文介绍一种以PZT材料为驱动源的双级式驱动器,它在具备自锁、大驱动力的同时,保持了纳米级位移分辨力。本文重点介绍其结构及实验结果。
1 结构
在工程中遇到某种应用,要求驱动器具有纳米量级的位移分辨力,能自锁,100 N以上的驱动力、行程约6μm。实现该驱动器的主要困难表现在位移分辨力与驱动力、自锁的矛盾上。
选择PZT作为驱动源的原因是,PZT具有“能量转换功率/体积”比值大的优点,适合于在很小体积下产生较大驱动力。根据PZT响应速度快的优点,采用了基于动力学惯性粘2滑原理的变换机构(LSPM)作为驱动器结构第一级,实现自锁、行程预放大,产生10 nm量级的位移分辨力。为了实现驱动力的放大,采用液力放大器作为驱动器的第二级,同时使位移分辨力提高到纳米量级。
图1为LSPM的结构。其主要工作部分是一个高精度丝杠副与两个摩擦牙块。丝杠副可实现位移细分与自锁功能;摩擦牙块由压电陶瓷驱动可往复运动,并紧贴于丝杠表面上,产生摩擦力偶。其工作原理是:在两个相反力偶方向上,摩擦牙块运动加速度不等,从而使摩擦牙块与丝杠间产生的滑移量不相等;在每工作一个往复运动周期后,丝杠就相对于摩擦牙块产生十分微小的转动。结构中采用了“滚珠2滑芯”结构,使丝杠端部的螺旋运动转化为直线运动。
图2为液力放大器的结构。在压强不很大时,油液体积可认为是不可压缩的。由于油腔两端面积差的作用,液力放大器可同时实现作用力的比例放大、位移的比例细分。
在液压结构中实现纳米精度位移传递有难度,油的泄漏、油中气泡的存在、传递受力件的变形都会导致精度的丧失。为此,采用以下措施:
(1)在液力放大器中采用平膜片,避免了活塞泄漏、运动滞后等问题;平膜片比波纹膜片具有更好的形状稳定性。两个膜片的名义直径比为3:1。平膜片工作时的微变形对油腔两端膜片作用面积的影响可以忽略;所以,输入、输出端的位移比值或力比值将基本保持不变。
(2)选择了一种高粘度指数液压油,具有优良的抗泡沫性能、工作温度范围及化学稳定性。对液压油进行了精细的过滤处理、去气泡处理。
(3)采用了阶梯锐齿形的刚性密封结构。该密封结构的设计准则是使阶梯锐齿与膜片接触面上形成密封的理想压强分布曲线。
图3为由LSPM、液力放大器组合成的双级式驱动器,其直径约为?0 mm,长约110 mm。由于液力放大器只能承受压力负载,所以此种双级式驱动器只能输出单向驱动力;可以通过在输出端预加载荷的方式使之实现双向驱动。
2 实验方法与实验结果
对驱动器的输出位移分辨力、输出端负载驱动能力进行了实验。实验中驱动器被静止固定在气浮平台上。计算机产生驱动信号波形,经高压放大器放大,驱动PZT元件伸缩,使整个驱动器产生动作。实验采用了高位移分辨率的电感式测微仪,测试位移输出;在电感式测微仪上同时连接了高灵敏度的位移记录仪,可记录下位移输出的变化,在低频率下可记录下每个工作周期输出端的大致运动规律。为了消除侧向力、机械间隙对实验结果的影响,在测定输出端负载驱动能力时,采取了在输出端加负载砝码的简单方式。
首先对LSPM单独进行了实验。由于电感式测微仪的刻度为100 nm,无法观察到10 nm以下的步距,位移记录仪的记录头惯性会影响记录曲线的可信度,只能得出“平均位移分辨力”。实验结果表明,LSPM具有5~15 nm的平均位移分辨力、60 N的负载驱动能力。负载增大则平均位移分辨力减小,但一定负载下的平均位移分辨力一致性很好。
采用光学干涉条纹测试法对LSPM的位移输出进行测试,干涉仪所用激光波长为0·632 8μm。干涉仪记录的一个圆盘平面发生变形的变化效果,LSPM共走200步,总位移为5·81个波长。实验中观察到每一步驱动造成干涉条纹的移动是均匀一致的,步距约18·4 nm。由此判定,“平均位移分辨力”与位移分辨力(步距)基本是相等的。
对双级式驱动器在不同的负载下、不同压电陶瓷(PZT)驱动电压下测定其“位移2时间”曲线。测定实验曲线的过程为:
(1)对PZT加正向驱动电压(使LSPM输出端推动液力放大器的输入端膜片变形),液力放大器输出正向位移,直至达到最大位移(此时使LSPM继续正向动作,复式驱动器没有位移输出)。
(2)对PZT加负向驱动电压,复式驱动器输出端在负载的压力下回退,直至回到原始位置。
图4为负载200 N,驱动电压分别为±650 V和±400 V的位移2时间曲线。由实验结果可看出:
(1)双级式驱动器的驱动负载能力至少可以达到200 N。
(2)位移输出曲线主要部分的线形度很好。线性段上的平均位移分辨力为2~3 nm。液力放大器的膜片位移输出对LSPM的每一步驱动都应当响应,所以也可以采用“平均位移分辨力”作为位移分辨力(步距)的判断指标。
(3)在双级式驱动器正向运动至接近最大正向位移量时,曲线斜率不断减小,呈现出非线性(曲线左上方)。这是由于,膜片在这一段时间内接近最大变形量,变形力迅速加大,从而使LSPM的步距减小,导致双级式驱动器的步距减小。
(4)驱动电压为±650 V、±400 V的行程分别为8·1μm、7μm;说明驱动电压增大(减小)时,驱动行程随之增大(减小)。
(5)双级式驱动器负向运动速度大于正向运动速度,即负向步距大于正向步距;这是由于LSPM丝杠螺旋升角使在两个运动方向上的受力不同造成的。
使复式驱动器在最大位移位置保持两个小时,测试其位置保持能力,未观察到位置漂移(位置漂移观察的刻度为100 nm)。由于LSPM具有丝杠自锁机构,位置保持能力主要是反映液力放大器的密封状况;液力放大器油腔的压强此时达整个过程的最大值。
3 结论
双级式驱动器同时具备了多种功能,实验表明:
a·复式驱动器的负载驱动能力可以成倍于LSPM,达到200 N,实现了驱动力放大的设计目的。
b·复式驱动器输出的平均位移分辨力(≤3nm)相对于LSPM得到成倍的提高。
c·复式驱动器输出位移的线性度较好,说明其步距一致性较好。
d·在2 h内,复式驱动器的位置保持精度较高。
e·复式驱动器的工作行程较小,仅为微米量级。
还应当重点对其位置精度保持性能进行进一步研究与实验,并努力提高其驱动行程。
参考文献:
[1] 凌 宁,官春林.变形反射镜的发展[J].光电工程,1995, 22(1): 14222.
[2] GABOR G. Actuators for a segmented mirror controlsystem [J]. SPIE,1983, 444:2872296.
[3] MENG J D, FRANCK J, GABOR G, et al. Positionactuators for the primary mirror of the W M Keck Tel2escope [J]. SPIE, 1990, 1 236:1 01821 022.
[4] HARB S, SMITH S T, CHETWYND D G. Subnano2meter behavior of a caPACitive feedback, piezoelectricdisplacement actuator [J].Rev Sci Instrum, 1992, 63(2):1 68021 689.
[5] 白春礼.扫描隧道显微技术及其应用[M].上海:上海科学技术出版社,1992.
[6] ATHERTON P D, XU Y, MCCONNELL M. NewX2Y stage for precision positioNIng and scanning [J].SPIE, 1996, 2 865:15220.
[7] SAKUTA S, UEDA K, OGAWA K, et al. Precisiondual Positioning system [J]. SPIE, 1990, 1 334:10217.
[8] REAY N K. Sub2nanometer precision close2loop posi2tioning for optics andX2Ystage control using capaci2tance displacement sensors and piezo2electric actuators[J]. SPIE, 1993, 2 088:1502159.
本文作者：王 皓 ,凌 宁
