王禎妍

摘要：設(shè)計(jì)了一種新型大行程X-Y二維微動(dòng)工作臺(tái)并完成減耦。該工作臺(tái)采用壓電驅(qū)動(dòng)器提供微位移，串聯(lián)構(gòu)型與柔性鉸鏈、杠桿機(jī)構(gòu)配合，實(shí)現(xiàn)二維大行程位移輸出。利用有限元仿真調(diào)節(jié)傳動(dòng)鉸鏈的位置，結(jié)合雙平行四桿柔性移動(dòng)副實(shí)現(xiàn)X和Y方向的運(yùn)動(dòng)解耦。仿真結(jié)果表明，該微動(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)具有運(yùn)動(dòng)行程大、耦合誤差小等優(yōu)點(diǎn)，可與宏動(dòng)機(jī)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(dòng)工作臺(tái);雙平行四桿機(jī)構(gòu);運(yùn)動(dòng)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(jìn)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(biāo)測量機(jī)[6]、原子力顯微鏡和衍射光柵刻劃機(jī)等儀器設(shè)備中取得了極大的進(jìn)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(diǎn)。

國內(nèi)外對(duì)一維、二維微動(dòng)工作臺(tái)已進(jìn)行了大量研究工作，但行程較小，在某些需要大行程微動(dòng)臺(tái)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(jī)構(gòu)配合，設(shè)計(jì)了一種新型大行程X-Y二維微動(dòng)工作臺(tái)，借助有限元分析，減小了不同方向運(yùn)動(dòng)間的耦合。

2 二維微動(dòng)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)的X-Y二維微動(dòng)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，采用柔性鉸鏈傳動(dòng)和杠桿放大，實(shí)現(xiàn)大行程位移輸出。設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)，有效減小工作臺(tái)的耦合。

3 Y向運(yùn)動(dòng)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(duì)初步設(shè)計(jì)的工作臺(tái)進(jìn)行Y向運(yùn)動(dòng)的有限元仿真，得到工作臺(tái)平行于X軸的端面由1到2各點(diǎn)處Y向位移均不相同，即存在角位移耦合，如圖2所示。同時(shí)發(fā)現(xiàn)工作臺(tái)Y向運(yùn)動(dòng)時(shí)的X向位移不為零，即存在線位移耦合。耦合運(yùn)動(dòng)可導(dǎo)致工作臺(tái)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(tái)是非對(duì)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(duì)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(tái)的Y向杠桿已達(dá)到最小彎曲，下面主要通過改變N鉸鏈位置進(jìn)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(shí)工作臺(tái)角位移和線位移耦合正負(fù)方向均發(fā)生了改變，推測存在兩個(gè)N鉸鏈的位置，分別使工作臺(tái)Y向運(yùn)動(dòng)的角位移和線位移耦合為零。

如圖3所示建立N鉸鏈移動(dòng)位置的一維X坐標(biāo)系，得到幾個(gè)N鉸鏈位置坐標(biāo)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(shí)橫坐標(biāo)的取值估算N鉸鏈此時(shí)的位置坐標(biāo)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(biāo)為40000 μm，X-Y二維微動(dòng)工作臺(tái)Y向運(yùn)動(dòng)時(shí)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(shí)的N鉸鏈位置，并利用有限元仿真，在兩個(gè)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(yùn)動(dòng)參數(shù)如表2所示。

4二維X-Y微動(dòng)臺(tái)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(jìn)行優(yōu)化，得到最終X-Y二維微動(dòng)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖6所示。為更直觀的表達(dá)二維工作臺(tái)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(tái)總體參數(shù)如表3所示。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的新型X-Y二維微動(dòng)工作臺(tái)，采用柔性鉸鏈與杠桿放大實(shí)現(xiàn)二維大行程位移輸出。利用有限元仿真尋找傳動(dòng)鉸鏈最佳位置，結(jié)合雙平行四桿柔性移動(dòng)副實(shí)現(xiàn)X和Y方向的運(yùn)動(dòng)解耦。仿真結(jié)果表明，該微動(dòng)工作臺(tái)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(tái)結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)行程大、耦合誤差小，對(duì)納米科技、半導(dǎo)體、精密機(jī)械加工及測量等領(lǐng)域均有參考價(jià)值。

6 參考文獻(xiàn)

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