基于雙壓電陶瓷驅動原理的精密定位平臺研究

胡志平,谷 森,唐飛揚,孫浩楠,朱軍輝,王 勇,汝長海,2,

1．蘇州大學 機器人與微系統中心，江蘇 蘇州 215021；2.蘇州納米科技協同創新中心，江蘇 蘇州 215021；3.上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072)

0 引言

隨著科學技術的發展，納米材料逐漸興起。為了研究納米材料的機械和電學性能，納米操作系統的開發逐漸受到科研人員的重視，且成果顯著。文獻[1-4]介紹了如納米操作機、納米材料測試儀及原子力顯微鏡(AFM)等納米操作系統[5]。此類納米操作系統常需借助掃描電子顯微鏡(SEM)的視覺伺服反饋功能對納米材料進行操作與表征[6]。基于SEM的納米操作環境要求納米操作系統的各組成單元具有無磁、體積小及真空兼容的特點。

盡管粘滑驅動定位平臺符合無磁、真空兼容、亞納米級分辨率、毫米級行程的要求，且與壓電掃描器常作為理想的納米定位裝置廣泛應用于納米操作系統，其仍存在局限性。如粘滑驅動定位平臺的無振動掃描范圍僅限于1.5 μm左右，壓電掃描器提供了更大的掃描范圍，但不能改變掃描區域的位置。為滿足高分辨率的定位要求，現有粘滑驅動定位平臺均采用標稱位移較小的單塊壓電陶瓷作為驅動模塊，常用壓電陶瓷標稱位移為2 μm。壓電陶瓷以步進模式驅動粘滑定位平臺時，平臺的振動幅度為幾十納米，通過平臺末端低硬度鎢探針的放大，振幅可達數微米[7]，接近甚至超過平臺的無振動掃描范圍，從而直接影響納米操作系統的精度。當粘滑驅動定位平臺與壓電掃描器機械式組合后被應用于AFM時，系統結構較大，難以安裝于SEM中。

為解決上述問題，本文設計了基于雙壓電陶瓷驅動原理的精密定位平臺。平臺驅動器由兩塊壓電陶瓷組成，小壓電陶瓷先以步進模式驅動定位平臺快速移動，大壓電陶瓷再以掃描模式驅動定位平臺來實現精準定位，該定位平臺綜合了粘滑驅動定位平臺與壓電掃描器的優點。

1 定位平臺的設計

1.1 驅動原理及驅動器的選擇

本文基于雙壓電陶瓷驅動原理設計的定位平臺包括基座、壓電陶瓷、柔性鉸鏈機構和導軌4個基本單元，驅動原理如圖1所示。大、小壓電陶瓷串聯連接并與柔性鉸鏈一端固定,陶瓷輸出位移通過柔性鉸鏈機構傳遞到末端執行器導軌。

圖1 雙壓電陶瓷驅動原理圖

對大、小壓電陶瓷分別施加圖1(b)所示電壓信號時，定位平臺將產生如下運動：

1)AB段，對小壓電陶瓷施加緩慢上升的電壓，小壓電陶瓷緩慢伸長且輸出的位移通過柔性鉸鏈機構傳遞到導軌，導軌在受到的靜摩擦力作用下與柔性鉸鏈機構保持相對靜止。

2)BC段，小壓電陶瓷在受到階躍下降的電壓信號后快速縮回，柔性鉸鏈機構也隨之快速縮回。由于導軌與柔性鉸鏈機構之間的慣性力遠大于摩擦力，導軌在滑動摩擦力的作用下相對于基座保持靜止。

3) 整個ABC階段，導軌在水平運動方向移動了一段位移，對小壓電陶瓷連續施加ABC階段的電壓信號，導軌在同一水平方向不斷快速移動，即實現了定位平臺的高速、跨尺度運動。

4) 小壓電陶瓷驅動器以步進模式驅動定位平臺運動一段位移后，切換到大壓電陶瓷的掃描模式，對大壓電陶瓷施加恒定電壓后，其緩慢伸長一段位移。

本文選用Thorlabs公司兩款標稱位移不同的壓電陶瓷作為定位平臺的驅動模塊，其中零位移推力為160 N，諧振頻率為115 kHz,具體參數如表1所示。設計中選用雙列交叉滾子導軌，長為30 mm，行程為21 mm，其具有響應快、精度高及穩定性好等優點[8]。

表1 壓電陶瓷性能參數表

1.2 結構設計

圖2為基于雙壓電陶瓷驅動原理的精密定位平臺結構圖，平臺整體尺寸為30 mm×17 mm×8 mm。壓電陶瓷驅動器包括標稱位移不同的兩塊壓電陶瓷，大、小壓電陶瓷串聯并與柔性鉸鏈機構一端固定安裝于基座槽內。調節預緊螺絲，給壓電陶瓷施加合適的預緊力，調節基座底部摩擦力調節螺絲可調整柔性鉸鏈在垂直方向的位置，進而改變導軌與柔性鉸鏈間的正壓力。柔性鉸鏈上表面凸臺處粘有氧化鋯陶瓷摩擦片，摩擦片與中間導軌部分接觸，對壓電陶瓷輸入電壓信號時，其會驅動柔性鉸鏈結構，從而帶動導軌移動。

圖2 定位平臺結構圖

壓電陶瓷推薦的最佳預緊力為50 N，并已通過試驗驗證其準確性。結合大、小壓電陶瓷位移，阻滯力與柔性鉸鏈柔度的關系曲線(見圖3)可知，大、小壓電陶瓷驅動的柔性鉸鏈機構最佳柔度分別為0.11 μm/N和0.02 μm/N。由于大、小壓電陶瓷驅動同一個柔性鉸鏈機構，所以，最終選取柔性鉸鏈的柔度為0.11 μm/N，即剛度為9.09 N/μm，為柔性鉸鏈機構的設計提供了理論依據。

圖3 柔性鉸鏈柔度、壓電陶瓷位移和阻滯力關系曲線圖

2 柔性鉸鏈有限元分析

在精密定位裝置中柔性鉸鏈是一種常用的結構形式，其主要利用彈性材料微小變形和自回復特性獲得高位移分辨率，避免了傳動過程中的空行程和機械摩擦[9]。由圖1可知，定位臺的步進模式運動需要壓電陶瓷驅動器的周期性振動來實現。為了獲得定位臺結構的振動特性，防止共振或自激等情況發生，設計時需要對定位臺鉸鏈結構進行模態分析。本文采用Ansys Workbench的模態分析模塊對柔性鉸鏈機構進行模態分析，獲得前6階振動頻率和對應的模態振型，如圖4所示。仿真結果表明，定位平臺壓電陶瓷驅動器的工作頻率應遠小于31 667 Hz。

圖4 柔性鉸鏈結構模態分析圖

3 定位平臺測試

基于雙壓電陶瓷驅動原理設計的定位平臺有小壓電陶瓷的步進模式和大壓電陶瓷的掃描模式兩種驅動模式。因此，定位平臺的性能可以分別在這兩種不同的驅動模式下測得，實驗測試平臺如圖5所示。其中激光干涉儀選用KEYENCE(基恩士)LK-GD500系列，最小分辨率為10 nm。

圖5 實驗平臺

3.1 大壓電陶瓷掃描模式測試

測定大壓電陶瓷以掃描模式驅動時定位平臺的性能，實驗采用HSPY直流穩壓電源，輸入電壓最高可達200 V，最小電壓分辨率為0.1 V。采用KEYENCE的非接觸式激光干涉儀測量定位平臺在不同驅動電壓時的輸出位移。

為減小人為測試誤差及環境干擾，重復試驗8次，并取其平均值作為該電壓下的標稱位移，實驗結果如圖6所示。由圖可知，定位平臺在大壓電陶瓷掃描模式驅動下的最大掃描范圍平均值為4.9 μm。

圖6 定位平臺的驅動電壓與輸出位移曲線

采用激光干涉儀測量定位平臺的輸出位移分辨率。對壓電陶瓷施加遞增電壓，定位平臺產生相應的輸出位移。當電壓足夠小時，可分辨的輸出位移即為定位平臺的輸出位移分辨率。理論上定位臺的位移分辨率與壓電陶瓷的位移分辨率一致，但由于裝配、環境等因素，定位臺的位移分辨率比壓電陶瓷的位移分辨率低。施加大壓電陶瓷電壓，并以0.1 V的梯度遞增，定位臺的可分辨輸出位移為16 nm，所以，定位平臺具有16 nm的運動分辨率，如圖7所示。

圖7 定位平臺掃描模式分辨率

3.2 小壓電陶瓷步進模式測試

測試定位平臺在小壓電陶瓷步進模式驅動時的性能。實驗采用HSPY直流穩壓電源作為驅動電路的電源部分，利用信號發生器產生鋸齒波電壓驅動定位平臺，利用示波器監測鋸齒波電壓信號的變化，采用KEYENCE非接觸式激光干涉儀采集定位平臺的輸出位移數據，最后通過KEYENCE自帶軟件LK-Navigator顯示并后續分析。

測量定位平臺被小壓電陶瓷驅動時的最大單步位移，對小壓電陶瓷施加1 Hz、90 V的鋸齒波電壓，測試結果如圖8所示，此時，定位平臺輸出的單步位移為0.9 μm。

圖8 定位平臺步進模式時的單步總位移

為測定小壓電陶瓷驅動時定位平臺的最小步長，對小壓電陶瓷施加1 Hz鋸齒波電壓信號，依次減小輸入電壓信號的幅值，直至定位平臺可分辨的輸出位移最小。當輸入電壓為10 V時，其正、反向10步的位移分別為700 nm和710 nm，如圖9所示。經計算，正、反向最小步長分別為70 nm和71 nm，正、反向位移較對稱，且線性度較好。

圖9 定位平臺最小步長

4 結束語

本文設計了基于雙壓電陶瓷驅動原理的精密定位平臺，其驅動模塊由兩塊壓電陶瓷組成，分別實現定位平臺的步進模式和掃描模式運動。實驗表明，掃描模式下，當以90 V的恒定電壓驅動大壓電陶瓷時，定位平臺的輸出位移為4.9 μm，定位平臺在掃描模式的位移分辨率為16 nm。步進模式下，分別以1 Hz、90 V和1 Hz、10 V的鋸齒波電壓信號驅動小壓電陶瓷，定位平臺的單步最大輸出位移為0.9 μm，正、反向的最小步長分別為70 nm和71 nm，對稱性和線性度較好。以15 kHz、90 V的鋸齒波電壓信號驅動小壓電陶瓷，定位平臺在水平運動方向的最大步進運動速度可達10 mm/s。大、小壓電陶瓷的輸出位移相差較大，說明小壓電陶瓷以步進模式驅動時，定位平臺的振動不會影響大壓電陶瓷以掃描模式驅動時定位平臺的精準定位。解決了粘滑驅動定位平臺存在的大掃描范圍及大行程的兼容性問題。