基于柔性铰链结构的二维微动工作台的设计分析

    随着纳米技术的兴起和飞速发展,基于压电陶瓷驱动的纳米级微定位技术已成为能束加工、超精密加工、微操作系统等前沿技术的基础支持技术。以柔性铰链为传动机构的微动工作台具有结构紧凑,质量轻,传动无间隙,无机械摩擦,位移分辨率高等特点。压电陶瓷驱动器(PZT)具有体积小,分辨率高,承载能力强等优点。使用PZT控制简单,易实现亚微米甚至纳米级的精度,且不产生热量和噪声,已被广泛用于要求具有纳米级定位分辨率的技术领域。本文以双柔性平行四杆为基础,通过参数化分析求出对工作台固有频率影响较大的参数,并计算出其变化趋势。从理论和实验两方面对工作台固有频率特性进行研究,并从微动台整个系统出发,考虑工作台的设计,提出一种新的设计方法,为设计具有高分辨率的微动台提供了理论和实验依据。

    1　微动台的结构

    图1为有PZT驱动的双柔性四连杆式二维微动台的结构简图。该微动台采用平面一体式结构,由一块不锈钢板经由线切割而成,具有结构紧凑,无间隙,无摩擦,各部分热膨胀系数相等的优点。如果加工和装配完全对称,微动工作台便能产生严格的直线运动,从原理上克服了交叉耦合位移现象。

    2　微动台的设计分析

    微动工作台的设计应满足下列要求:

    (1)柔性铰链内部的弯曲应力应小于材料的许用应力^[1]。

    (2)微动工作台的固有频率应尽可能地高。

    (3)微动台产生最大位移时,微动台弹性恢复力应小于微位移器的最大驱动力[1]。

    (4)为了使微动台具有较高的分辨率,在保证铰链所受应力符合许用应力的条件下,应尽量减小铰链的厚度^[2]。

    (5)为了便于控制微动系统,x、y向的性能参数,即刚度和固有频率应尽量接近。

    要提高工作台的性能,实现高精度的运动,设计时必须进行受力分析,合理地选择铰链的尺寸,使工作台具有适当的刚度和固有频率,从工作台结构出发提高整个系统的性能。

    2.1　双柔性平行四连杆结构

    工作台用于微定位,产生微米至纳米级的位移,要求其导轨副间无间隙和摩擦,位移分辨率高,在保证最大输出位移情况下具有较大的刚度,只沿驱动方向作直线运动,而不在其他方向上产生交叉耦合位移。双柔性平行四杆结构呈对称性,不仅能消除单平行四杆结构中存在的交叉耦合位移,而且在一定程度上减弱了外界的干扰,具有良好的导向性。

    图2为微动台的结构模型。当给工作台施加驱动力时,所有的柔性铰链将产生一定的偏转,使微动台沿驱动力方向产生一定位移,在保证加工和装配完全对称的条件下,该结构的对称性使微动台不会在垂直方向产生耦合运动。同时,该结构的间接驱动方式能有效避免工作台面产生变形,使PZT的驱动位移得到高效地传递