矩形柔性铰链式二维串联压电微动平台的设计【文献综述】 (2).doc

1、文献综述矩形柔性铰链式二维串联压电微动平台的设计高精度定位是现代精密机械和仪器的一个重要特征。随着集成电路IC制造、微型机械电子系统MEMS、精密测试系统和精密加工领域的快速发展,迫切需要能够进行大运动范围、高精度、高速定位的装置。这些领域一般要求定位范围在几百毫米定位精度在纳米数量级、定位速度在M/S。例如在IC制造的刻蚀环节中,要做到01M的特征尺寸,工作台的定位精度应达到20NM以内。微动平台是以操作尺度微小、具有纳米级01NM100NM定位精度为特征的微位移机构。其可以用来完成大规模集成电路的检验和修补、微型机械零件的装配、单模光纤的对接等常规平台难以完成或根本无法完成的精微操作。微动

2、平台的驱动方式主要有电热式、电磁式、压电式、磁悬浮式、滚动导轨式。电热式已成功应用于精密磨床的砂轮机微动上，但其伴随有发热现象，故此难以做到高精度。电磁式驱动行程范围大、分辨率较高、精度较高，但当工作台保持一定位置时，电磁圈始终要通电，从而由于发热都影响精度，此外其位移阶跃响应也同样有振荡的瞬时响应，存在着灵敏度高时难于稳定的问题。以压电陶瓷驱动器PZT为驱动器的微动工作台其具有结构紧凑,质量轻,传动无间隙,无机械摩擦,位移分辨率高等特点。压电陶瓷驱动器PZT具有体积小,分辨率高,承载能力强等优点。使用PZT控制简单,易实现亚微米甚至纳米级的精度,且不产生热量和噪声,已被广泛用于要求具有纳米级

3、定位分辨率的技术领域。而其缺点是行程小，压电类微位移控制电压高。某些材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象，称为压电效应。具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，它的表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。反之，当这类材料在外电场作用下，其内部正负电荷中心移位，又可导致材料发生机械变形，形变的大小与电场强度成正比。压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大进步。吴鹰飞,周兆英通过对柔性铰链在支撑

4、结构、联接结构、调整机构和测量仪器中的应用,提到结合柔性铰链机构传动及压电陶瓷驱动主要应用于1超精密定位工作台2精密机械加工3打印头4光学自动聚焦5电马达6动式径向空气轴承7夹持器1江溯,孙立宁,安辉,李国君在相关压电陶瓷直线驱动模块的研究中提出一套外形简洁、结构紧凑、位移分辨率高、动态性能好的压电陶瓷直线驱动模块2。该模块采用了基于弹性变形原理的微位移机构和压电陶瓷直接驱动方式，并在模块内部藏有电阻应变式微位移传感器，实现了机构、驱动、检测一体化。压电驱动微动平台基于柔性铰链的传动机构主要有两种并联结构式和串联结构式。国内外学者基于这两种机构都有所设计研究。柔性铰链的中部较为薄弱,在力矩作用

5、下可以产生较明显的弹性角变形,能在机械结构中起到铰链的作用。它与一般铰链的区别是没有机械结构上的间隙,并且有弹性回复力,因而消除了运动中的摩擦和回退空程。柔性铰链主要有两种类型,直梁型柔性铰链和圆弧型柔性铰链。直梁型柔性铰链有较大的转动范围，易于加工,但其运动精度较差,转动中心在转动过程中有明显的偏转。圆弧型柔性铰链的运动精度较高,但运动行程受到很大的限制,只能实现微小幅度的转动，加工复杂。黄金永,魏燕定,张炜提到柔性铰链具有体积小、运动平稳、无需润滑、无回退空程、无摩擦、导向精度高等优点，已被广泛地应用于陀螺仪、加速度计、精密天平、导弹控制喷嘴形波导管天线等仪器仪表中。3因此在绝大多数情况下

6、,利用柔性铰链机构是传递和放大压电致动器位移最适宜的方法。关于并联式传动结构，王光亮,杨川研究设计了一种用于宏微双重驱动系统的二维微动工作台。4该微动平台采用柔性铰链支撑的并联式设计结构,该结构比串联式结构更简单紧凑,其X方向和Y方向完全对称,所以这两个方向的参数完全相同,便于图1直梁型柔性铰链与圆弧性柔性铰链参数识别与工作台控制。采用有限元方法对该工作台进行了静态分析,并与采用解析法计算的结果进行对比。推导出由于宏动工作台高加速运动而引起微动工作台振动的加速度公式,为研究宏动台高加速、高减速运动对微动工作台的影响提供了依据。最后,计算分析了宏动工作台典型运动情况对微动工作台的影响,分析表明选

7、择合适的阻尼比,可以获得较短的微动工作台系统的调整时间和较小的超调量。朱仁胜设计了一种新型压电式双自由度微位移工作台,提出了一种采用直角双杆机构代替平行四杆机构实现双自由度运动的方法双自由度微位移工作台的结构,如图3所示。5这种结构集成了传统的外框套内框式平行四杆机构双自由度微动工作台在各自自由度上的运动,采用直角双杆机构,实现双自由度的运动。采用这种机构能极大地减小双自由度微动工作台的结构尺寸,还能在一定程度上减小工作台在各输出自由度上的刚度。利用能量法和卡氏第二定理建立了工作台输出刚度的数学模型,在此基础上推导出了工作台前2阶固有频率。根据得到的输出刚度表达式,定量地分析了柔性铰链参数及连

8、杆长度对工作台输出刚度的影响。同时针对3组不同尺寸参数的工作台,采用有限元法对其进行数值计算,并与理论计算比较,结果表明2种方法计算结果吻合很好,说明了理论模型的正确性。图2柔性铰链并联结构图3柔性铰链直角双杆并联结构张建雄,孙宝元以双柔性平行四杆为基础,通过参数化分析求出对工作台固有频率影响较大的参数,并计算出其变化趋势。6从理论和实验两方面对工作台固有频率特性进行研究,并从微动台整个系统出发,考虑工作台的设计,提出一种新的设计方法,为设计具有高分辨率的微动台提供了理论和实验依据。工作台用于微定位,产生微米至纳米级的位移,要求其导轨副间无间隙和摩擦,位移分辨率高,在保证最大输出位移情况下具有

9、较大的刚度,只沿驱动方向作直线运动,而不在其他方向上产生交叉耦合位移。双柔性平行四杆结构呈对称性,不仅能消除单平行四杆结构中存在的交叉耦合位移,而且在一定程度上减弱了外界的干扰,具有良好的导向性。张庆,王华坤,范元勋介绍了一种精度高、性能稳定、结构简单的二维微动工作台微位移机构的工作原理及其设计。7着重分析了为消除机构间隙和工作台爬行,提高定位精度和响应速度所采取的技术措施压电陶瓷驱动、柔性铰链与杠杆放大一体化结构。图4双柔性平行四杆式串联采用柔性铰链结构、压电陶瓷驱动的二维微位移机构,定位精度高,无爬行,结构简单,使用方便。与直接驱动方式相比,使用杠杆放大不仅增加了机构行程,而且减小了驱动器

10、的电容,缩短了充放电时间,提高了系统的响应速度。综合以上文献，微动工作台选用的合适材料，多为不锈钢1CR18NI9TI或65MN高性能弹簧钢。而为提高制造和装配的精度,微定位平台需要设计成整体式结构并采用线切割技术加工制造，具有结构紧凑，无间隙，无摩擦，各部分热膨胀系数相等的优点。为了便于控制微动系统，X、Y向的性能参数,即刚度和固有频率应尽量接近。要提高工作台的性能,实现高精度的运动,设计时必须进行受力分析,合理地选择铰链的尺寸,使工作台具有适当的刚度和固有频率,从工作台结构出发提高整个系统的性能。其中并联式传动结构其X方向和Y方向完全对称,这两个方向的参数完全相同，便于参数识别与工作台控制

11、。采用这种机构能极大地减小结构尺寸，还能在一定程度上减小工作台在各输出自由度上的刚度。串联式传动结构相当于在一维工作平台的内部又线切割出相互垂直的另一维平台。虽然这种形式结构紧凑,但外部平台的运动会影响内部平台的定位，X方向和Y方向宜产生交叉耦合，。另外其外部平台的驱动力要大于内部平台驱动力,柔性铰链的工作情况复杂,不利于对称性的发挥及其定位控制。参考文献图5杆放大一体化结构1吴鹰飞,周兆英柔性铰链的应用J中国机械工程,2002,1318161516182江溯,孙立宁,安辉,李国君机构、驱动、检测一体化的压电陶瓷直线驱动模块的研究J哈尔滨工业大学学报,1998,30434373黄金永,魏燕定,

12、张炜空间微动平台的柔性铰链参数优化设计J机电工程,2006,23155574王光亮,杨川二维微动工作台的设计与分析J机床与液压,2008,36514,85朱仁胜新型微动工作台的设计与计算J合肥工业大学学报自然科学版2008,3110158515896张建雄,孙宝元基于柔性铰链结构的二维微动工作台的设计分析J压电与声光,2006,2856246267张庆,王华坤,范元勋精密微动工作台二维微位移机构的设计研究J组合机床与自动化加工技,2002,639428曹家勇,朱煜,段广洪,尹文生两类柔性微动直线导轨的刚度特性J清华大学学报自然科学版2006,5466336359张庆,王华坤,张世琪微机电系统二

13、维微动工作台微位移机构特性研究J机械与电子2002,10434510田延岭,张大卫,闫兵纳米级XY微定位平台的设计与研究J工艺与备,2005,12838811高鹏,袁哲俊,姚英学基于柔性铰链结构的新型双向微动工作台的研究J仪器仪表学报,1998,19219219512李庆祥,王东生,李玉和现代精密仪器设计M北京清华大学出版社，200413DSKANG,TWSEO,YHYOON,BSSHIN,XJLIUANDJKIMAMICROPOSITIONINGPARALLELMECHANISMPLATFORMWITH100DEGREETILTINGCAPABILITYJ14WANGHUA,ZHANGXIANMININPUTCOUPLINGANALYSISANDOPTIMALDESIGNOFA3DOFCOMPLIANTMICROPOSITIONINGSTAGEJMECHANISMANDMACHINETHEORY432008400410