顯微鏡物鏡精密調(diào)焦裝置的研究

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(南京航空航天大學(xué)機械結(jié)構(gòu)力學(xué)與控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210016)

顯微鏡物鏡精密調(diào)焦裝置的研究

周昇，黃衛(wèi)清，朱華，王寅

(南京航空航天大學(xué)機械結(jié)構(gòu)力學(xué)與控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210016)

提出了利用TRUM-30型旋轉(zhuǎn)超聲電機為驅(qū)動元件的顯微鏡物鏡精密調(diào)焦裝置。對調(diào)焦裝置的工作原理和機械結(jié)構(gòu)進行了介紹和分析，設(shè)計了調(diào)焦裝置的零件并對其進行了有限元分析，得出了調(diào)焦裝置調(diào)焦的理論分辨率。對調(diào)焦裝置進行了實驗，得出了其調(diào)焦分辨率關(guān)于驅(qū)動電壓信號頻率的參數(shù)變化曲線，并給出了顯微鏡物鏡運動位移隨時間變化曲線。

超聲電機；顯微鏡物鏡；精密調(diào)焦；有限元分析

0 引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，特別是宇宙飛船、人造衛(wèi)星、運載火箭、飛機，以及各種電子設(shè)備、精密測量儀器等高技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展，許多領(lǐng)域?qū)Χㄎ缓万?qū)動的要求越來越高，部分環(huán)境需要達(dá)到微米、納米級的精度要求。因此，精密定位裝置的研究和設(shè)計在越來越廣泛的范圍內(nèi)得到人們的重視。與此同時，各種功能材料的不斷涌現(xiàn)，加工與制造工藝的不斷完善，也為新型精密定位裝置的研究和設(shè)計提供了條件。由于受工作原理和結(jié)構(gòu)形式的限制，傳統(tǒng)電磁電機已經(jīng)無法滿足這些要求，超聲電機是一種先進的微特電機，它的出現(xiàn)彌補了傳統(tǒng)電磁電機的不足。

國外在將超聲電機用在微型定位及驅(qū)動領(lǐng)域起步較早，已經(jīng)取得了很多成就。其應(yīng)用摩擦驅(qū)動、尺蠖運動[1]、超聲波振動和慣性-摩擦[2]等原理，巧妙地實現(xiàn)了大行程、高精度的要求[3]。CEDRAT公司所生產(chǎn)的壓電驅(qū)動器如APA、SPA系列，已廣泛應(yīng)用于顯微鏡物鏡的納米定位和掃描系統(tǒng)等各種微驅(qū)動場合。PI公司也有諸如P-720、P-721和P-725等多種基于壓電材料的精密定位和調(diào)焦裝置。國內(nèi)在將壓電材料應(yīng)用在精密定位領(lǐng)域的成果還不是很多，臺灣國立高雄第一科技大學(xué)機械自動化工程學(xué)院，研制的慣性沖擊精密定位工作臺定位精度可以達(dá)到10 nm。廣東工業(yè)學(xué)院的楊宜民研究了仿生型步進式直線執(zhí)行器，步距0.1～16 μm，步距誤差小于0.1 μm，適用于低速自動控制中的超高精度的定位和驅(qū)動[4]。吉林大學(xué)研制的新型慣性沖擊型驅(qū)動機構(gòu)，在激勵頻率為4 Hz、激勵電壓為30 V的條件下，該驅(qū)動機構(gòu)的步長分辨率為0.3 μm，速度為1.2 μm/s。

針對顯微鏡物鏡焦距調(diào)節(jié)的應(yīng)用背景[5]，利用楔形滑塊機構(gòu)轉(zhuǎn)換位移的原理，將TRUM-30型旋轉(zhuǎn)超聲電機作為核心驅(qū)動元件，制作了顯微鏡物鏡精密調(diào)焦裝置。通過ANSYS有限元軟件對調(diào)焦裝置的外框進行了有限元分析。實驗結(jié)果表明，該精密調(diào)焦裝置具有工作平穩(wěn)、步距均勻和定位精度高等優(yōu)點，具有較高的研究價值和廣泛的應(yīng)用前景[6]。

1 調(diào)焦裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 調(diào)焦裝置的結(jié)構(gòu)

TRUM-30型旋轉(zhuǎn)超聲電機作為驅(qū)動元件，通過墊板安裝在外框的左端面上。超聲電機的外伸軸上安裝有輸出軸，輸出軸與楔塊通過螺紋配合。楔塊在導(dǎo)軌中運動，導(dǎo)軌通過其左側(cè)的螺紋孔安裝在外框的左端面上。顯微鏡物鏡通過其頂端的螺紋安裝在下板的右側(cè)，下板通過其右端的螺紋孔安裝在外框的右端，下板的左端加工有通孔，在該通孔和楔塊的斜面之間安裝有1個鋼球。上板通過其左側(cè)的螺紋孔安裝在外框的左端面上，右側(cè)安裝有法蘭。整個精密調(diào)焦裝置通過法蘭上端的螺紋安裝在顯微鏡的轉(zhuǎn)換器上。

1.2 調(diào)焦裝置的工作原理

楔形滑塊機構(gòu)如圖1所示。

圖1 楔形滑塊機構(gòu)

物體A斜面傾角為α，假設(shè)A沿著X軸正方向移動位移x，B物體因為在X方向的自由度受到約束，其只能沿著Y軸正方向移動，假設(shè)其移動位移為y，由三角原理易知y/x=tanα。因此，該機構(gòu)可以實現(xiàn)物體運動位移方向和大小的轉(zhuǎn)換，其可以將物體A沿著X方向的運動位移x轉(zhuǎn)換成物體B沿著Y方向的運動位移y，且y=x×tanα。

所設(shè)計的精密調(diào)焦裝置即是利用這一原理，實現(xiàn)TRUM-30型旋轉(zhuǎn)超聲電機輸出位移方向和大小的轉(zhuǎn)換。整個調(diào)焦裝置的具體運動過程如下：對TRUM-30超聲電機施加驅(qū)動電壓信號，超聲電機外伸軸旋轉(zhuǎn)，帶動安裝在其上的輸出軸旋轉(zhuǎn)輸出扭矩。輸出軸通過螺紋傳動推動楔塊在導(dǎo)軌的凹槽中做直線運動，楔塊通過斜面上的鋼球推動下板做豎直向上的運動，則顯微鏡物鏡將隨著下板一起做豎直向上的運動。在此過程中，外框的右端因為和下板的右端通過螺釘連接在一起，因此，外框整體也將繞著左端面的4個柔性鉸鏈做豎直向上的運動。因為外框的左端面和右端面分別加工有4個柔性鉸鏈，所以可以保證顯微鏡物鏡的運動是沿著豎直方向的平動。改變超聲電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向，則顯微鏡物鏡可以做豎直向下的運動。

所設(shè)計的精密調(diào)焦裝置中的楔塊其斜面傾角為α，假設(shè)超聲電機輸出軸的轉(zhuǎn)速為nr/s，調(diào)焦裝置工作時，通電時間為ms，輸出軸與楔塊上相配合的螺紋螺距為P。則在1個工作周期內(nèi)，超聲電機通過輸出軸推動楔塊沿著水平方向輸出的位移為：

Sx=P×m×n

(1)

則顯微鏡物鏡在豎直方向上運動的位移為：

Sy=P×m×n×tanα

(2)

Sy即為顯微鏡物鏡在1個工作周期內(nèi)移動的距離，也就是該精密調(diào)焦裝置的調(diào)焦分辨率。由式(1)和式(2)可知，該精密調(diào)焦裝置的調(diào)焦精度取決于超聲電機的定位精度，而超聲電機定位的精度可以達(dá)到nm級別[7]，因此，理論上該精密調(diào)焦裝置的調(diào)焦分辨率可以達(dá)到nm級別的精度。

2 有限元分析

TRUM-30型旋轉(zhuǎn)超聲電機推動下板運動時，要求顯微鏡物鏡、下板和外框一起作為一個整體做上下平動。為了達(dá)到這一要求，外框的設(shè)計對于整個調(diào)焦裝置至關(guān)重要。因此，在外框的左右2個端面上分別加工有4個柔性鉸鏈[8]，整個外框整體為一柔性機構(gòu)[9]。為了驗證該設(shè)計方案是否合理，利用ANSYS軟件對外框進行有限元分析。定義模型的材料參數(shù)后，進行結(jié)構(gòu)建模和網(wǎng)格劃分。對外框的左端面施加固定約束，對下板和外框右端的連接處施加豎直向上的力。然后進行有限元求解。

外框在X、Y方向的位移云圖如圖2，圖3所示。圖中X方向即為顯微鏡物鏡運動時的豎直方向，Y方向即為顯微鏡物鏡的水平方向。從圖2和圖3中可知，外框沿X方向的位移為18.9 μm，沿Y方向的位移為0.158 μm。Y方向的位移遠(yuǎn)小于X方向的位移，可以忽略不計。因此，外框結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能保證顯微鏡物鏡在豎直方向做微幅平動，方向性好，且其位移輸出在μm級，達(dá)到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

圖2 外框X方向位移云圖

圖3 外框Y方向位移云圖

3 超聲電機需要的驅(qū)動信號

TRUM-30型旋轉(zhuǎn)超聲電機工作時，需要施加2路驅(qū)動信號CH1和CH2。2路信號均為正弦波，相位差為90°。當(dāng)CH1比 CH2的相位超前90°時，電機輸出軸正轉(zhuǎn)，從而推動顯微鏡物鏡豎直向上運動。當(dāng)CH2比 CH1的相位超前90°時，電機輸出軸反轉(zhuǎn)，從而推動顯微鏡物鏡豎直向下運動。因此，改變2路驅(qū)動電壓信號的相位，即可控制顯微鏡物鏡沿著上下2個方向運動[10]。

4 實驗研究

4.1 實驗系統(tǒng)組成

設(shè)計的精密調(diào)焦裝置的實驗系統(tǒng)組成如圖4所示。在實驗過程中，把信號發(fā)生器的輸出端接到功率放大器上，以提高超聲電機的輸入電壓。通過信號發(fā)生器輸出的電壓信號經(jīng)過功率放大器放大后，通過導(dǎo)線施加到超聲電機上，驅(qū)動整個精密調(diào)焦裝置工作。顯微鏡物鏡鏡頭的運動位移由激光位移傳感器測取，測得的位移數(shù)據(jù)通過接口實時傳入PC機上，通過專門的數(shù)據(jù)處理軟件記錄數(shù)據(jù)并輸出為Excel格式文件。

圖4 精密調(diào)焦裝置實驗系統(tǒng)組成

精密調(diào)焦裝置樣機的實驗如圖5所示。實驗中，通過測量顯微鏡物鏡鏡頭向上移動的距離，測試該精密調(diào)焦裝置的參數(shù)和性能。

圖5 精密調(diào)焦裝置實驗

4.2 調(diào)焦分辨率的測試

由式(1)和式(2)可知，該精密調(diào)焦裝置的調(diào)焦分辨率Sy取決于超聲電機的轉(zhuǎn)速n和通電時間m。超聲電機的工作電壓頻率f范圍在35～38 kHz之間，工作電壓峰峰值為360 V。超聲電機的轉(zhuǎn)速n隨著驅(qū)動電壓頻率f的增大而減小。為了研究該調(diào)焦裝置的分辨率Sy隨驅(qū)動電壓頻率f的變化關(guān)系，取驅(qū)動電壓頻率f的范圍為35～38 kHz，間隔為0.5 kHz，通電時間m取25 ms，楔塊的斜面傾角α為11°。通過激光位移傳感器，測得的調(diào)焦分辨率Sy隨驅(qū)動電壓頻率f的變化曲線如圖6所示。

圖6 調(diào)焦分辨率隨電壓頻率變化曲線

從圖6可知，隨著驅(qū)動電壓頻率f的增大，超聲電機輸出軸的轉(zhuǎn)速n不斷減小，在1個工作周期內(nèi)，顯微鏡物鏡的移動距離也隨之減小。因此，調(diào)焦裝置的調(diào)焦分辨率Sy，隨著驅(qū)動電壓頻率f的增大而呈減小趨勢。

4.3 調(diào)焦裝置的性能測試

為了驗證精密調(diào)焦裝置工作性能是否平穩(wěn)，利用激光位移傳感器，測量顯微鏡物鏡鏡頭在5 s時間內(nèi)的運動位移曲線。采樣點設(shè)置為50 000個，這些數(shù)據(jù)點代表顯微鏡物鏡鏡頭在某一時刻相對于基準(zhǔn)平面的距離，將這些數(shù)據(jù)點導(dǎo)入到Origin軟件中，即可繪制出顯微鏡物鏡鏡頭的運動位移S隨時間變化的曲線。通過反復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)，在驅(qū)動電壓頻率為35 kHz左右時，超聲電機轉(zhuǎn)速過快，顯微鏡物鏡運動不夠平穩(wěn)；在驅(qū)動電壓電壓頻率為38 kHz左右時，超聲電機轉(zhuǎn)速過慢，不利于激光位移傳感器測取數(shù)據(jù)。因此，取驅(qū)動電壓頻率為37 kHz。得到的顯微鏡物鏡鏡頭運動位移S隨時間變化曲線如圖7所示。

圖7 顯微鏡物鏡鏡頭運動位移隨時間變化曲線(上升)

從圖7中可以看出，精密調(diào)焦裝置運行平穩(wěn)，步距均勻，顯微鏡物鏡的位移曲線近似呈線性變化。重新設(shè)置2路驅(qū)動電壓信號，使得CH2超前CH1相位為90°，則可實現(xiàn)超聲電機輸出軸的反轉(zhuǎn)。此時，得到的顯微鏡物鏡鏡頭運動位移S隨時間變化曲線，如圖8所示。

圖8 顯微鏡物鏡鏡頭運動位移隨時間變化曲線(下降)

從圖8可以看出，精密調(diào)焦裝置可以實現(xiàn)顯微鏡物鏡的雙向位移調(diào)節(jié)，且顯微鏡物鏡在向下運動時，其運動位移曲線也近似呈線性變化，說明此時該調(diào)焦裝置運行平穩(wěn)，步距均勻。

綜上所述，精密調(diào)焦裝置在驅(qū)動電壓頻率為37 kHz，電壓峰峰值為360 V時，工作性能良好，步距均勻，可以實現(xiàn)顯微鏡物鏡的雙向位移調(diào)節(jié)，其調(diào)焦分辨率可以達(dá)到2 μm的精度。

5 結(jié)束語

以TRUM-30型旋轉(zhuǎn)超聲電機作為驅(qū)動元件，利用楔形滑塊機構(gòu)位移轉(zhuǎn)換的原理，設(shè)計并制成了顯微鏡物鏡精密調(diào)焦裝置。分析了該調(diào)焦裝置的運行原理和工作過程，針對該裝置搭建了實驗系統(tǒng)，確定了實驗方法，并對樣機的工作性能進行了測試。樣機的實驗結(jié)果表明，通過改變2路驅(qū)動電壓信號的相位，該精密調(diào)焦裝置能夠?qū)崿F(xiàn)顯微鏡物鏡的雙向位移調(diào)節(jié)。

[1] Lobontiu N，Goldfarb M，Garcia E.Piezoelectric-driven inchworm locomotion device[J].Mechanism and Machine Theory，2001，36(4):425-443.

[2] 遲冬祥，顏國正，丁國清.基于慣性-摩擦原理的PZT驅(qū)動四自由度微驅(qū)動器的研究[J].光學(xué)精密工程，2001，9(2)：135-138.

[3] 姜文銳，盧澤生.一種大行程高精度微執(zhí)行器的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2006(5)：1555-1558.

[4] 陳兵芽，劉瑩，胡敏，等．微執(zhí)行器的研究與展望[J]．微納電子技術(shù)，2005(12)：561-565．

[5] 朱華，曹如意，菅磊.應(yīng)用于干涉顯微鏡的直線壓電作動器[J].光學(xué)精密工程，2013(6): 1524-1530.

[6] Claeyssen F，Ducamp A，Barillot F，et al.Stepp-ing piezoelectric actuators based on APAs:11th international conference on new actuators[C]//Bremen，Germany，2008.

[7] 趙淳生，朱華.超聲電機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J].械制造與自動化，2008(3):1-9.

[8] 馬立，謝煒，劉波，等.柔性鉸鏈微定位平臺的設(shè)計[J].光學(xué)精密工程，2014(2):338-345.

[9] 楊啟志，馬履中，尹小琴.全柔性機構(gòu)中柔性運動副的結(jié)構(gòu)型式與應(yīng)用[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003(4):9-12.

[10] 陳志華，趙淳生.超聲電機控制中的若干關(guān)鍵問題[J].微特電機，2002(6):23-25.

Study on Microscope Objective Precision Focusing Device

ZHOUSheng，HUANGWeiqing，ZHUHua，WANGYin

(State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

Proposed microscope objective precision focusing device using TRUM-30-type ultrasonic motor as drivingelement.Introduced and analyzed the working principle and mechanical structure of the focusing device，designed the part and did finite element analysis of it，getting the microscope objective theoretical resolution.Did the experiments，getting the curve of the resolution of the microscope objective lens focusing varying with the driving voltage signal and it's frequency，and gives the curve of the displacement of the microscope objective lens varing with time.

ultrasonic motor; microscope objective; precision focus; finite element analysis

2014-09-04

TH742

A

1001-2257(2014)12-0031-04

周昇(1989-)，男，安徽六安人，碩士研究生，研究方向為慣性沖擊式壓電直線電機；黃衛(wèi)清(1965-)，男，江蘇南通人，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向為壓電精密致動技術(shù)；朱華(1978-)，男，江蘇東臺人，副研究員，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向為超聲電機技術(shù)；王寅(1986-)，男，江蘇淮安人，博士研究生，研究方向為直線型壓電電機技術(shù)。