Piezo微步进执行器的时间响应分析

　　随着精密制造、电子信息制造以及生物工程等学科和技术的发展,对于超精密定位的需求日益提高,传统的XY定位方式多采用滚珠丝杠将步进电机或伺服电机的回转运动转化为直线运动,然后通过两轴之间的插补运动来达到定位的目的.这种定位工作台的定位精度一般在微米级以上,要想进一步提高定位精度已经非常困难.这是因为传统XY定位方式存在传动链长、参数耦合等多种因素限制了系统误差的提高.本文根据新型压电陶瓷材料(Piezo)所具有的位移控制精度高、响应快、驱动力大、驱动功率低和工作频率宽、无噪声等优点[1],提出了一种不同于传统结构的新型超精密定位XY工作台结构,在工作台结构设计上采用公理设计中无耦合设计的基本原则,从原理上提高XY工作台的定位精度.

　　1　微步进工作台结构

　　根据无耦合设计原理设计的微步进二维工作台结构如图1所示,应用七杆机构来实现平面定位,由于点E在X、Y两方向上的运动参数相互独立,避免了误差累积和运动参数耦合对运动控制带来的影响,从原理上提高工作台的定位精度.为了避免传统铰链存在的间隙误差,在联接方式上用柔性铰链,由于柔性铰链没有机械摩擦和间隙影响、不存在爬行现象,且结构紧凑、体积小,具有较高的位移分辨率和导向精度[2],在精密定位系统中能起到很好的效果.工作台主框架中的杆件采用金属材料加工成型,柔性铰链用高分子材料,如图2所示

　　图1中A和B分别为两个方向上的微步进执行器,该执行器采用爬虫式运动方式.通过对微执行器的运动时序进行控制,并通过位置检测装置进行在线测量,利用反馈控制进行位移补偿,以提高工作台的定位精度.在图2中,微步进执行器将联接在主框架的两个滑块上进行X、Y两方向上的直线驱动.E点为杆件端部的圆形通孔,可用来安装微型激光器或微机械手等工具.

　　2　微步进执行器时间响应分析

　　2·1　微步进执行器原理

　　微步进执行器的原理结构如图3所示,由于单个压电陶瓷元件的驱动位移过小,为了提高驱动位移,采用层叠结构的压电堆构成驱动部分.为了扩大微步进执行器的行程,采用爬虫式动作沿着导轨向前运动.为此需要在执行器的两端安装两个箝位器,表1说明了箝位器与压电堆在一个周期内的动作时序.

　　在箝位器的构成上,同样可以采用压电陶瓷作为伸缩装置.但是由于压电陶瓷的位移量较小,对导轨的精度以及工作间隙要求较高,故本文采用电磁式箝位器,通过箝位器中的动铁芯与金属底板之间吸合时所造成的静摩擦力来达到箝位的作用.

　　2·2　Piezo驱动器的时间响应分析