x-y-θz大行程無耦合并聯壓電微動平臺的設計

陳 攀,朱春莉,崔玉國,胡志誼,楊依領,婁軍強

(寧波大學 機械工程與力學學院,浙江 寧波 315211)

0 引言

微動平臺是一種能夠實現亞毫米行程、納米定位的一種微位移機構。它通過其彈性單元體的彈性變形來產生微位移和傳遞力,構件少,無運動副之間的摩擦、磨損及傳動間隙,因而被廣泛應用于精密加工與測量等需要微納定位的領域中。它在精密與超精密加工中,可用來實現刀具的微進給或加工誤差的補償[1];在精密與超精密測量中,可用來實現傳感器的微調節[2]。在光纖對接中,可用來實現兩光纖的精密對準[3]。

與其他驅動形式的微動平臺相比,壓電微動平臺[4]體積小,響應速度快,輸出力大,定位精度和位移分辨率高,無噪聲,不發熱,因此在微納定位中應用廣泛。Yang等[5]設計了一種兩自由度柔性解耦微動平臺,將Scott-Russell機構與杠桿機構進行串聯,組成一個兩級放大器,以此來克服壓點陶瓷輸出位移小的缺點,以平行四邊形梁進行輸入解耦,以三維雙復合平行四邊形梁進行輸出解耦,平臺x、y向的輸出位移分別為148.1 μm和149.73 μm,位移耦合率分別為0.693%和0.637%。Zhu等[6]設計了一種并聯兩自由度的柔性微動平臺,該平臺提出了一種混合驅動機構,即將2個Scott-Russel機構與半橋機構進行組合,從而進行兩級放大輸出位移,平臺的實體尺寸為165 mm ×145 mm×18 mm,x、y向的位移放大比分別為5.2和5.4,兩方向的輸出位移耦合率均低于1%。齊克奇等[7]提出了一種兩自由度微動平臺,該平臺采用4個對稱分布的嵌套式平行導向機構,實現平臺的高剛度與自解耦,平臺的一階固有頻率為444.76 Hz,2個軸的運動直線度分別為0.17%和0.16%。Choi等[8]提出了一種新型的x-y微動平臺,能夠實現每個軸±110 μm的最大輸出位移,且位移分辨率均為4 nm,該平臺在x、y向的固有頻率分別為190 Hz和195 Hz。Tian等[9]設計了一種x-y-z三自由度的微動平臺,其位移放大器將L形杠桿結構與半橋結構進行組合,采用凹形輸入機構對壓點驅動器與柔性機構進行位置導向,在3個方向上的最大輸出位移分別為128.1 μm、131.3 μm和17.9 μm,輸出耦合均小于2%,運動分辨率為8 nm。馬立等[10]設計了一種三自由度微動平臺,其采用平板鉸鏈、圓形鉸鏈及單邊V形鉸鏈導向的3-PRR結構,在x、y向和θz向上的行程分別為-11.32～11.41 μm、-12.47～12.76 μm和3.63′,對應的分辨率分別為71 nm、83 nm和1.35″。

目前學者設計的壓電微動平臺具有良好的靜、動態性能基本都是x-y兩自由度,結構不夠緊湊,工作臺面偏小,性能上位移行程偏小,運動存在耦合(平臺沿某方向運動時會在其他方向產生寄生運動)。

本文基于柔順橋式放大機構及雙平行四連桿柔順機構,設計了一種結構緊湊,工作臺面大,位移行程大,運動無耦合,且能實現沿x、y軸平動,繞z軸轉動的三自由度并聯壓電微動平臺的新構型,并對其靜、動態特性進行了分析及測試。

1 平臺結構設計

壓電微動平臺能實現大行程的關鍵是驅動單元中位移放大機構的設計,本文采用雙柔性薄板型的橋式放大機構進行位移放大,如圖1(a)所示。其工作原理是對驅動單元中的壓電執行器施加電壓時,壓電執行器的輸出力使橋式放大機構的輸入端產生橫向變形,經過三角放大,橋式放大器的輸出端產生與輸入端位移成倍數關系的縱向輸出位移,進而驅動微動平臺產生較大的行程范圍。臺體采用對稱式機構,如圖1(b)所示,由6個結構尺寸相同的導向單元組成,對稱分布在臺體的四周,當平臺在x向輸出位移時,臺體上下兩側的4個導向單元進行該方向的位移導向。當平臺在y方向輸出位移時,臺體左右兩側的2個導向單元進行該方向的位移導向。同時導向單元之間的柔性薄板形成四連桿機構,進而形成雙平行四連桿柔順機構,對平臺起到位移解耦的作用。

圖1 x-y-qz并聯平臺結構

微動平臺的主體結構如圖1(c)所示,它由動臺面、臺體、驅動單元、測量單元及底板構成。當對驅動單元1中的壓電執行器施加電壓,對驅動單元2、3中的壓電執行器不施加電壓,從而實現平臺沿x軸的平動位移;當驅動單元2、3中壓電執行器同時施加相同的電壓,而對驅動單元1中的壓電執行器不施加電壓,從而實現平臺沿y軸的平動位移;當驅動單元3中的壓電執行器施加電壓,而對驅動單元1、2中的壓電執行器不施加電壓,從而實現平臺繞z軸的逆時針轉動。

2 有限元仿真

采用有限元軟件Ansys對平臺的應力、位移放大倍數和模態進行仿真分析。

2.1 應力分析

微動平臺的最大應力產生于壓電執行器預緊力和最大輸出位移的共同作用下,如圖2所示。微動平臺在360 N的預緊力和150 V的輸入電壓作用下,平臺的最大應力為145 MPa,小于所用材料鋁7075的許用應力(524 MPa)。

圖2 平臺應力的有限元分析結果

2.2 運動分析

對微動平臺的位移放大倍數進行分析,在0.1 mm的輸入位移作用下,平臺在x、y方向的輸出位移如圖3所示。由圖可知,微動平臺在x、y方向的位移放大倍數分別為7.2和8.7。本文所用壓電執行器標稱位移為60 μm,在平臺應變恢復力作用下會產生一定的位移損失(通常20%),這樣平臺在x、y、θz向可分別輸出至少300 μm、400 μm和2.5 mrad的位移。同時由圖還可看出,整個動臺面成同一顏色,說明平臺沿該方向嚴格平動,無耦合位移。

圖3 平臺位移放大倍數的有限元分析結果

2.3 模態分析

對微動平臺的模態進行分析,前3階模態的振型如圖4所示。分別對應平臺在x、θz、y向上的振型,對應的固有頻率分別為100.2 Hz、133.1 Hz和118.2 Hz。由圖可看出,平臺在具備大行程情況下,仍具有較好的動態響應特性。

圖4 平臺前3階模態的有限元分析結果

3 實驗測試

3.1 位移特性測試

3.1.1 實驗系統構成

圖5為微動平臺的位移測試系統,它由計算機、多功能數據卡(美國國家儀器有限公司,PCI 9263)、驅動電源(哈爾濱芯明天科技有限公司,E01.C3)、壓電微動平臺和電容傳感器(德國米銥測試技術有限公司,CSE1)組成。該系統中各儀器參數:多功能數據卡上的A/D和D/A轉換器的分辨率為16位,采樣頻率為100 kS/s;電源輸出電壓的紋波為10 mV,線性度為0.1%,帶寬為0～2 kHz;電容傳感器的測量范圍為0～1 mm,線性度為0.5 μm,分辨率為0.75 nm。

圖5 平臺位移測試系統

3.1.2 位移測試

對微動平臺驅動單元1的壓電執行器施加三角波形電壓(0～150 V～0 V),測得平臺各測量單元傳感器的位移如圖6(a)所示。由圖可知,微動平臺在x向的最大輸出位移為306.1 μm,在y1和y2方向(即測量單元2、3)的耦合位移分別為0.75 μm和0.86 μm,對兩者求平均值,從而可得到微動平臺在y方向的耦合位移為0.81 μm,耦合率為0.26%;對微動平臺驅動單元2、3的壓電執行器同時施加三角波形電壓(0～150 V～0 V),測得平臺各測量單元傳感器的位移如圖6(b)所示。由圖可知,在y1和y2方向微動平臺的最大輸出位移分別為401.97 μm和402.72 μm,對兩者求平均值得到微動平臺在y方向的最大輸出位移為402.3 μm,同時測得平臺在x方向存在的耦合位移為0.57 μm,耦合率為0.14%;對微動平臺驅動單元3的壓電執行器施加三角波形電壓(0～150 V～0 V),平臺各測量單元傳感器測得的位移如圖6(c)所示。由圖可知,微動平臺在y1和y2方向的最大輸出位移分別為106.91 μm和365.61 μm,進而計算出平臺在θz向的最大旋轉角度為2.72 mrad。

圖6 平臺的輸出位移

3.1.3 分辨率

對平臺3個方向的分辨率進行測試時,對相應的壓電執行器施加微動平臺可分辨的最小階梯電壓(0.012 V),測試結果如圖7所示。由圖可知,平臺在x、y、θz向的位移分辨率分別為10 nm、10 nm和0.1 μrad。

圖7 平臺的位移分辨率

3.2 頻率響應測試

3.2.1 實驗系統構成

圖8為微動平臺的頻率響應測試系統,將加速度傳感器粘在微動平臺上,通過脈沖錘敲擊微動平臺給一個激勵,平臺產生的振動由加速度傳感器測得,再經過FFT頻譜分析儀進行信號分析處理,得到平臺在各個方向上的頻率響應曲線。

圖8 平臺頻率響應測試系統

3.2.2 測量結果

圖9為微動平臺x、y、θz方向的頻率響應測量結果。由圖可知,微動平臺在x、y、θz方向的固有頻率分別為104.1 Hz、130.0 Hz和115.6 Hz,與有限元分析的結果基本一致。

圖9 平臺的頻率響應

4 結束語

本文設計了一種可以沿x、y軸平動,繞z軸轉動的三自由度并聯壓電微動平臺,平臺結構緊湊,工作臺面大,位移行程大,可運動解耦。對平臺的性能進行了分析測試,結果表明,平臺在x、y、θz方向的最大位移分別為306.1 μm、402.3 μm、2.72 mrad,產生的耦合位移分別為0.81 μm、0.57 μm,位移分辨率分別為10 nm、10 nm、0.1 μrad,固有頻率分別為104.1 Hz、130.0 Hz、115.6 Hz。