弹性薄膜-电致伸缩微进给机构研究

　　微进给机构是指行程小、灵敏度和精度高的机构，它是精密机械与精密仪器的关键部件之一。微进给机构在精密仪器中主要用于提高整机的精度，例如，用金刚石车刀车削镜面磁盘，车刀的进给量为5拜m，就是利用微进给机构实现的。笔者设计了一种简单易行的弹性薄膜和电致伸缩微位移器组合的微进给结构，对其性能进行了分析，并阐述了它在超精密定位及补偿中的应用。

　　1微进给结构设计

　　图1为弹性薄膜和电致伸缩微位移器组合的微进给结构简图，图2为其简化的力学模型，图中ks、kp分别为薄膜及电致伸缩微位移器的力弹性常数(刚度)，m、c分别为等效质量及阻尼常数。

　　这里电致伸缩微位移器的自由伸长量为15拜m，驱动电压为150V，它的伸缩带动工作台运动，实现微进给。工作台本身由弹性薄膜支承，并受其约束，因此弹性薄膜的刚度对系统的输出位移量有很大影响。当k，较大时，微进给结构行程量减小;而k，太小，系统的动态响应特性及抗外界环境干扰的能力下降。所以在设计中应综合考虑各个因素来优化刚度值。弹性薄膜的弹性变形方程为

式中l—薄膜长度t

　　t—薄膜厚度

　　W—薄膜宽度即产

　　μ—泊松系数

　　E—弹性模量

　　—修正系数

　　P—外力

　　膜片刚度为

　　公式(2)可作为初步设计的依据，此时可根据电致伸缩微位移器的输出位移及最大承载力来调整计算结构参数，使薄膜的刚度系数达到最大值。设已预先依据结构大小确定尺寸l、W，这样在得到刚度值的基础上，不难定出t值。

　　2性能分析

　　2.1静态特性”-

　　微进给结构的静态特性是指输入位移x不随时间变化，即。时的特性，它主要取决于驱动器的特性。本设计采用电致伸缩微位移器和弹性薄膜的组合结构，薄膜的刚度值对工作台的输出位移有一定的影响。由于驱动器为叠层晶体结构，所以在使用时需加一定的预载力F0。驱动器的伸长量为

　　上边各式表明，由于预加载荷及弹性薄膜的影响，使得工作台的输出位移远小于电致伸缩微位移器的自由伸长量。图3为此结构的电压一位移曲线，与推导结果一致。从曲线可知，该结构存在一定的迟滞现象，这是由电致伸缩微位移器的固有特性决定的，在工作中，通过软件补偿的方法可消除这种现象。

　　2.2动态特性

　　结构的动态特性是指输入位移按一定规律变化条件下的特性。研究动态特性目的是避免系统在刚度极小值(即谐振频率)附近工作，以免给系统带来很大的误差甚至无法工作乃至破坏。设输入位移按正弦规律变化，由图2所示的力学模型有