大行程X-Y二維微動工作臺的設(shè)計與減耦

王禎妍

摘要：設(shè)計了一種新型大行程X-Y二維微動工作臺并完成減耦。該工作臺采用壓電驅(qū)動器提供微位移，串聯(lián)構(gòu)型與柔性鉸鏈、杠桿機構(gòu)配合，實現(xiàn)二維大行程位移輸出。利用有限元仿真調(diào)節(jié)傳動鉸鏈的位置，結(jié)合雙平行四桿柔性移動副實現(xiàn)X和Y方向的運動解耦。仿真結(jié)果表明，該微動臺的工作行程為370 μm×400 μm， X與Y向的耦合誤差均小于1%。該微動臺具有運動行程大、耦合誤差小等優(yōu)點，可與宏動機構(gòu)配合用于大行程二維宏微定位等場合。

關(guān)鍵詞：大行程微動工作臺;雙平行四桿機構(gòu);運動解耦;有限元分析

1 前言

當(dāng)前，超精密加工技術(shù)在精密儀器儀表[1-2]、生物醫(yī)學(xué)工程[3]、集成電子[4-5]、先進制造業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。微納米定位技術(shù)及系統(tǒng)作為超精密加工的重要研究內(nèi)容之一，在微納米坐標測量機[6]、原子力顯微鏡和衍射光柵刻劃機等儀器設(shè)備中取得了極大的進展，開發(fā)大行程高精度的微定位系統(tǒng)已成為相關(guān)領(lǐng)域科研人員研究的熱點。

國內(nèi)外對一維、二維微動工作臺已進行了大量研究工作，但行程較小，在某些需要大行程微動臺的場合應(yīng)用受限。因此，以壓電陶瓷為微位移器件，通過柔性鉸鏈、杠桿、雙平行四桿機構(gòu)配合，設(shè)計了一種新型大行程X-Y二維微動工作臺，借助有限元分析，減小了不同方向運動間的耦合。

2 二維微動工作臺的設(shè)計

初步設(shè)計的X-Y二維微動工作臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。由壓電陶瓷驅(qū)動，采用柔性鉸鏈傳動和杠桿放大，實現(xiàn)大行程位移輸出。設(shè)計串聯(lián)構(gòu)型，結(jié)構(gòu)緊湊，但存在不可避免的耦合誤差，因此采用雙平行四桿機構(gòu)，有效減小工作臺的耦合。

3 Y向運動中消除耦合的研究

3.1串聯(lián)構(gòu)型存在角位移和線位移耦合

對初步設(shè)計的工作臺進行Y向運動的有限元仿真，得到工作臺平行于X軸的端面由1到2各點處Y向位移均不相同，即存在角位移耦合，如圖2所示。同時發(fā)現(xiàn)工作臺Y向運動時的X向位移不為零，即存在線位移耦合。耦合運動可導(dǎo)致工作臺輸出位移的精度大大降低。

3.2角位移和線位移耦合的原因及消除方法

將耦合可能的原因歸為：一是整體工作臺是非對稱結(jié)構(gòu)，二是杠桿的彎曲形變導(dǎo)致傳遞位移存在X向分量。通過改變N鉸鏈的位置消除結(jié)構(gòu)不對稱所產(chǎn)生的耦合，通過增加杠桿剛度消除杠桿彎曲形變所產(chǎn)生的耦合。目前工作臺的Y向杠桿已達到最小彎曲，下面主要通過改變N鉸鏈位置進行耦合誤差的消除。從大量的模擬分析中發(fā)現(xiàn)，N鉸鏈在不同位置時工作臺角位移和線位移耦合正負方向均發(fā)生了改變，推測存在兩個N鉸鏈的位置，分別使工作臺Y向運動的角位移和線位移耦合為零。

如圖3所示建立N鉸鏈移動位置的一維X坐標系，得到幾個N鉸鏈位置坐標與相應(yīng)的角位移耦合繪制如圖4所示折線圖。根據(jù)圖4中角位移為0時橫坐標的取值估算N鉸鏈此時的位置坐標在39000 μm附近，得到如表1所示結(jié)果。

考慮加工方便，取N鉸鏈位置坐標為40000 μm，X-Y二維微動工作臺Y向運動時的角位移耦合最小。采用同樣的方法確定線位移耦合最小時的N鉸鏈位置，并利用有限元仿真，在兩個位置之間尋找Y向整體位移耦合最小的位置，如圖5所示，其運動參數(shù)如表2所示。

4二維X-Y微動臺模型及仿真結(jié)果

將Y向N鉸鏈由單軸改為雙軸，減小杠桿彎曲。并將X向結(jié)構(gòu)參照Y向結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，得到最終X-Y二維微動工作臺結(jié)構(gòu)如圖6所示。為更直觀的表達二維工作臺中的角位移耦合，將角位移耦合的參數(shù)由位移量換算為角度。工作臺總體參數(shù)如表3所示。

5 結(jié)論

設(shè)計了一種壓電陶瓷驅(qū)動的新型X-Y二維微動工作臺，采用柔性鉸鏈與杠桿放大實現(xiàn)二維大行程位移輸出。利用有限元仿真尋找傳動鉸鏈最佳位置，結(jié)合雙平行四桿柔性移動副實現(xiàn)X和Y方向的運動解耦。仿真結(jié)果表明，該微動工作臺的工作行程為370 μm×400 μm，X與Y向的耦合誤差均小于1%。該工作臺結(jié)構(gòu)緊湊、運動行程大、耦合誤差小，對納米科技、半導(dǎo)體、精密機械加工及測量等領(lǐng)域均有參考價值。

6 參考文獻

[1]Nicolas Bonnail， Didier Tonneau， Franck Jandard， Gérard-André Capolino and Hervé Dallaporta. Variable Structure Control of a Piezoelectric Actuator for a Scanning Tunneling Microscope[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 51（2）， 354–363.

[2]Yongkai Xu and Peter H. Meckl. Robust Time-Optimal Command Shaping for Velocity Tracking of Piezoelectric Actuators[J]. Proceedings， 2005 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics.

[3]S. Thalhammer， G. Lahr， A. Clement-Sengewald， W. M. Heckl， R. Burgemeister and K. Schütze. Laser microtools in cell biology and molecular medicine[J]. Laser Physics， Vol. 13， No. 5， 2003， pp. 681.

[4]M. Puig-Vidal， J. López-Sánchez， P. Miribel-Català， E. Montané， S.A. Bota， J. Samitier，U. Simu and S. Johansson. Smart Power Integrated Circuits to Drive Piezoelectric Actuators for a cm3? Microrobot System[J]. Proceedings of SPIE Vol. 4334 （2001）.

[5]Spanner， K.， Marth， H. and Gutheil， W. Piezoelectric Translators with Submicron Accuracy[J]. SPIE Vol. 565 Micron and Submicron Integrated Circuit Metrology （1985）.

[6]K C Fan， Y T Fei， X F Yu， Y J Chen， W L Wang， F Chen and Y S Liu. Development of a low-cost micro-CMM for 3D micro/nano measurements. Meas. Sci. Technol. 17 （2006） 524–532.