姚敬松 薛增喜 麥仁標(biāo)

摘要：為滿足高精度微納定位需求，設(shè)計(jì)了一種基于壓電驅(qū)動(dòng)的三自由度角位移微動(dòng)平臺(tái)，并測(cè)試與優(yōu)化了其性能。

關(guān)鍵詞：壓電驅(qū)動(dòng);角位移;微動(dòng);三自由度

0 引言

隨著微納米技術(shù)的發(fā)展，近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)、學(xué)者開(kāi)始重視微納定位技術(shù)的研究，其中微角度位移平臺(tái)主要在遙感衛(wèi)星、精密加工、生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。要想實(shí)現(xiàn)精密運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是關(guān)鍵。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器具有響應(yīng)速度快、分辨率高、體積小、不發(fā)熱以及無(wú)摩擦等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想驅(qū)動(dòng)[1-6]。本文采用壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)完成一種角位移微動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與制造。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)

為滿足多自由度高精度運(yùn)動(dòng)的需求，設(shè)計(jì)與制造了一種角位移微動(dòng)平臺(tái)，以壓電陶瓷為驅(qū)動(dòng)件，以柔性結(jié)構(gòu)為連接和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，使平臺(tái)能夠發(fā)生微小的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。該平臺(tái)分為三部分——驅(qū)動(dòng)部分、從動(dòng)部分以及支撐部分。驅(qū)動(dòng)部分包括3根壓電陶瓷促動(dòng)器和相應(yīng)的傳感器，從動(dòng)部分包括3個(gè)柔性結(jié)構(gòu)以及壓電平臺(tái)的上盤。設(shè)計(jì)的微動(dòng)平臺(tái)三維模型如圖1（a）所示，柔性結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，可提供3個(gè)自由度，分別為繞其自身x軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，繞其自身y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度以及沿z軸平移的自由度。通過(guò)3根壓電陶瓷促動(dòng)器以及3個(gè)柔性結(jié)構(gòu)的對(duì)稱組合，壓電平臺(tái)的上盤可以繞xOy平面內(nèi)任意直線進(jìn)行俯仰。

轉(zhuǎn)動(dòng)副柔性鉸鏈主要分為直梁型柔性鉸鏈和圓弧型柔性鉸鏈，直梁型柔性鉸鏈具有轉(zhuǎn)動(dòng)剛度小但定位精度較低的特點(diǎn);圓弧型柔性鉸鏈定位精度高，同時(shí)剛度也較大。倒圓角直梁型柔性鉸鏈與直梁型柔性鉸鏈和圓弧型柔性鉸鏈均有相似之處，其兼具圓弧型柔性鉸鏈運(yùn)動(dòng)精度高和直梁型柔性鉸鏈剛度小的優(yōu)點(diǎn)，是一種更具優(yōu)勢(shì)的新型柔性鉸鏈。圖1（b）中采用的是圓弧型柔性鉸鏈。

圖1（b）中柔性結(jié)構(gòu)下端的柔性鉸鏈提供z方向的平移自由度，3個(gè)柔性結(jié)構(gòu)組合起來(lái)可為壓電平臺(tái)的上盤提供z方向的平移自由度。圖1（b）中柔性結(jié)構(gòu)上端有兩個(gè)分布在同一垂線上且互相垂直的柔性鉸鏈，可為柔性結(jié)構(gòu)提供繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度以及繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。通過(guò)3個(gè)柔性結(jié)構(gòu)的對(duì)稱組合，與柔性結(jié)構(gòu)相連的平臺(tái)上盤擁有繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度以及繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。

本文所述角位移微動(dòng)平臺(tái)有3個(gè)自由度，為了精準(zhǔn)地控制平臺(tái)的角位移，需要確定驅(qū)動(dòng)的位移與平臺(tái)姿態(tài)的關(guān)系。本模型中驅(qū)動(dòng)的位移并不直接傳遞給上盤，而是通過(guò)柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳遞。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)模型如圖2所示，11′、22′、33′分別為一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)壓電陶瓷促動(dòng)器對(duì)應(yīng)的柔性結(jié)構(gòu)與上盤的節(jié)點(diǎn)的位移。

2 實(shí)物模型與控制優(yōu)化

在微動(dòng)平臺(tái)的三維模型基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真軟件進(jìn)行力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真，在仿真實(shí)驗(yàn)分析后，根據(jù)三維模型設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)物平臺(tái)的加工，并進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)物測(cè)試。壓電驅(qū)動(dòng)的角位移微動(dòng)平臺(tái)實(shí)物模型如圖3所示，在該模型中，柔性結(jié)構(gòu)的放大比例為等倍比例，主要作用為提供轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，因此該模型理論上驅(qū)動(dòng)的位移等價(jià)于柔性結(jié)構(gòu)傳遞的位移。

根據(jù)式（2）可通過(guò)驅(qū)動(dòng)的位移輸入計(jì)算出理論的輸出?？赏ㄟ^(guò)激光干涉儀等儀器對(duì)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，得到理論輸出與實(shí)際輸出的對(duì)比結(jié)果。通過(guò)對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)理論輸出與實(shí)際輸出有所差距。零件加工精度的誤差、平臺(tái)裝配造成的誤差、柔性結(jié)構(gòu)負(fù)載損失的位移等均會(huì)使理論輸出與實(shí)際輸出不一致。為了補(bǔ)償誤差，在式（2）中增加一個(gè)系數(shù)矩陣E，如式（3）所示：

3 測(cè)試

根據(jù)式（3）的輸入輸出控制算法控制壓電驅(qū)動(dòng)的角位移微動(dòng)平臺(tái)實(shí)物模型運(yùn)行，通過(guò)激光干涉儀等儀器對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)的角位移微動(dòng)平臺(tái)的角度進(jìn)行測(cè)量。繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角θx的輸出的多組實(shí)際測(cè)量結(jié)果與式（3）中的理論輸出的比較如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)其平均相對(duì)誤差小于5%，壓電驅(qū)動(dòng)的角位移微動(dòng)平臺(tái)繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角位移精度滿足需求。

壓電驅(qū)動(dòng)的角位移微動(dòng)平臺(tái)繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角θy的輸出的多組實(shí)際測(cè)量結(jié)果與式（3）中的理論輸出的比較如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)其平均相對(duì)誤差小于5%，壓電驅(qū)動(dòng)的角位移微動(dòng)平臺(tái)繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角位移精度滿足需求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的壓電驅(qū)動(dòng)的角位移微動(dòng)平臺(tái)滿足多自由度高精度運(yùn)動(dòng)的需求，以壓電陶瓷為驅(qū)動(dòng)件，以柔性結(jié)構(gòu)為連接和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，使平臺(tái)能夠發(fā)生微小的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該平臺(tái)平動(dòng)的分辨率與精度可達(dá)到微米級(jí)，轉(zhuǎn)動(dòng)的分辨率與精度可達(dá)到弧秒級(jí)。

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收稿日期：2021-03-29

作者簡(jiǎn)介：姚敬松（1996—），男，廣東廣州人，碩士研究生，研究方向：微納加工制造。