陳 攀,朱春莉,崔玉國(guó),胡志誼,楊依領(lǐng),婁軍強(qiáng)

(寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院,浙江 寧波 315211)

0 引言

微動(dòng)平臺(tái)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)亞毫米行程、納米定位的一種微位移機(jī)構(gòu)。它通過(guò)其彈性單元體的彈性變形來(lái)產(chǎn)生微位移和傳遞力,構(gòu)件少,無(wú)運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦、磨損及傳動(dòng)間隙,因而被廣泛應(yīng)用于精密加工與測(cè)量等需要微納定位的領(lǐng)域中。它在精密與超精密加工中,可用來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具的微進(jìn)給或加工誤差的補(bǔ)償[1];在精密與超精密測(cè)量中,可用來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器的微調(diào)節(jié)[2]。在光纖對(duì)接中,可用來(lái)實(shí)現(xiàn)兩光纖的精密對(duì)準(zhǔn)[3]。

與其他驅(qū)動(dòng)形式的微動(dòng)平臺(tái)相比,壓電微動(dòng)平臺(tái)[4]體積小,響應(yīng)速度快,輸出力大,定位精度和位移分辨率高,無(wú)噪聲,不發(fā)熱,因此在微納定位中應(yīng)用廣泛。Yang等[5]設(shè)計(jì)了一種兩自由度柔性解耦微動(dòng)平臺(tái),將Scott-Russell機(jī)構(gòu)與杠桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行串聯(lián),組成一個(gè)兩級(jí)放大器,以此來(lái)克服壓點(diǎn)陶瓷輸出位移小的缺點(diǎn),以平行四邊形梁進(jìn)行輸入解耦,以三維雙復(fù)合平行四邊形梁進(jìn)行輸出解耦,平臺(tái)x、y向的輸出位移分別為148.1 μm和149.73 μm,位移耦合率分別為0.693%和0.637%。Zhu等[6]設(shè)計(jì)了一種并聯(lián)兩自由度的柔性微動(dòng)平臺(tái),該平臺(tái)提出了一種混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),即將2個(gè)Scott-Russel機(jī)構(gòu)與半橋機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合,從而進(jìn)行兩級(jí)放大輸出位移,平臺(tái)的實(shí)體尺寸為165 mm ×145 mm×18 mm,x、y向的位移放大比分別為5.2和5.4,兩方向的輸出位移耦合率均低于1%。齊克奇等[7]提出了一種兩自由度微動(dòng)平臺(tái),該平臺(tái)采用4個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的嵌套式平行導(dǎo)向機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的高剛度與自解耦,平臺(tái)的一階固有頻率為444.76 Hz,2個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)直線度分別為0.17%和0.16%。Choi等[8]提出了一種新型的x-y微動(dòng)平臺(tái),能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)軸±110 μm的最大輸出位移,且位移分辨率均為4 nm,該平臺(tái)在x、y向的固有頻率分別為190 Hz和195 Hz。Tian等[9]設(shè)計(jì)了一種x-y-z三自由度的微動(dòng)平臺(tái),其位移放大器將L形杠桿結(jié)構(gòu)與半橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合,采用凹形輸入機(jī)構(gòu)對(duì)壓點(diǎn)驅(qū)動(dòng)器與柔性機(jī)構(gòu)進(jìn)行位置導(dǎo)向,在3個(gè)方向上的最大輸出位移分別為128.1 μm、131.3 μm和17.9 μm,輸出耦合均小于2%,運(yùn)動(dòng)分辨率為8 nm。馬立等[10]設(shè)計(jì)了一種三自由度微動(dòng)平臺(tái),其采用平板鉸鏈、圓形鉸鏈及單邊V形鉸鏈導(dǎo)向的3-PRR結(jié)構(gòu),在x、y向和θz向上的行程分別為-11.32～11.41 μm、-12.47～12.76 μm和3.63′,對(duì)應(yīng)的分辨率分別為71 nm、83 nm和1.35″。

目前學(xué)者設(shè)計(jì)的壓電微動(dòng)平臺(tái)具有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能基本都是x-y兩自由度,結(jié)構(gòu)不夠緊湊,工作臺(tái)面偏小,性能上位移行程偏小,運(yùn)動(dòng)存在耦合(平臺(tái)沿某方向運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)在其他方向產(chǎn)生寄生運(yùn)動(dòng))。

本文基于柔順橋式放大機(jī)構(gòu)及雙平行四連桿柔順機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊,工作臺(tái)面大,位移行程大,運(yùn)動(dòng)無(wú)耦合,且能實(shí)現(xiàn)沿x、y軸平動(dòng),繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的三自由度并聯(lián)壓電微動(dòng)平臺(tái)的新構(gòu)型,并對(duì)其靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析及測(cè)試。

1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓電微動(dòng)平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)大行程的關(guān)鍵是驅(qū)動(dòng)單元中位移放大機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),本文采用雙柔性薄板型的橋式放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行位移放大,如圖1(a)所示。其工作原理是對(duì)驅(qū)動(dòng)單元中的壓電執(zhí)行器施加電壓時(shí),壓電執(zhí)行器的輸出力使橋式放大機(jī)構(gòu)的輸入端產(chǎn)生橫向變形,經(jīng)過(guò)三角放大,橋式放大器的輸出端產(chǎn)生與輸入端位移成倍數(shù)關(guān)系的縱向輸出位移,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生較大的行程范圍。臺(tái)體采用對(duì)稱(chēng)式機(jī)構(gòu),如圖1(b)所示,由6個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸相同的導(dǎo)向單元組成,對(duì)稱(chēng)分布在臺(tái)體的四周,當(dāng)平臺(tái)在x向輸出位移時(shí),臺(tái)體上下兩側(cè)的4個(gè)導(dǎo)向單元進(jìn)行該方向的位移導(dǎo)向。當(dāng)平臺(tái)在y方向輸出位移時(shí),臺(tái)體左右兩側(cè)的2個(gè)導(dǎo)向單元進(jìn)行該方向的位移導(dǎo)向。同時(shí)導(dǎo)向單元之間的柔性薄板形成四連桿機(jī)構(gòu),進(jìn)而形成雙平行四連桿柔順機(jī)構(gòu),對(duì)平臺(tái)起到位移解耦的作用。

圖1 x-y-qz并聯(lián)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

微動(dòng)平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示,它由動(dòng)臺(tái)面、臺(tái)體、驅(qū)動(dòng)單元、測(cè)量單元及底板構(gòu)成。當(dāng)對(duì)驅(qū)動(dòng)單元1中的壓電執(zhí)行器施加電壓,對(duì)驅(qū)動(dòng)單元2、3中的壓電執(zhí)行器不施加電壓,從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)沿x軸的平動(dòng)位移;當(dāng)驅(qū)動(dòng)單元2、3中壓電執(zhí)行器同時(shí)施加相同的電壓,而對(duì)驅(qū)動(dòng)單元1中的壓電執(zhí)行器不施加電壓,從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)沿y軸的平動(dòng)位移;當(dāng)驅(qū)動(dòng)單元3中的壓電執(zhí)行器施加電壓,而對(duì)驅(qū)動(dòng)單元1、2中的壓電執(zhí)行器不施加電壓,從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)繞z軸的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 有限元仿真

采用有限元軟件Ansys對(duì)平臺(tái)的應(yīng)力、位移放大倍數(shù)和模態(tài)進(jìn)行仿真分析。

2.1 應(yīng)力分析

微動(dòng)平臺(tái)的最大應(yīng)力產(chǎn)生于壓電執(zhí)行器預(yù)緊力和最大輸出位移的共同作用下,如圖2所示。微動(dòng)平臺(tái)在360 N的預(yù)緊力和150 V的輸入電壓作用下,平臺(tái)的最大應(yīng)力為145 MPa,小于所用材料鋁7075的許用應(yīng)力(524 MPa)。

圖2 平臺(tái)應(yīng)力的有限元分析結(jié)果

2.2 運(yùn)動(dòng)分析

對(duì)微動(dòng)平臺(tái)的位移放大倍數(shù)進(jìn)行分析,在0.1 mm的輸入位移作用下,平臺(tái)在x、y方向的輸出位移如圖3所示。由圖可知,微動(dòng)平臺(tái)在x、y方向的位移放大倍數(shù)分別為7.2和8.7。本文所用壓電執(zhí)行器標(biāo)稱(chēng)位移為60 μm,在平臺(tái)應(yīng)變恢復(fù)力作用下會(huì)產(chǎn)生一定的位移損失(通常20%),這樣平臺(tái)在x、y、θz向可分別輸出至少300 μm、400 μm和2.5 mrad的位移。同時(shí)由圖還可看出,整個(gè)動(dòng)臺(tái)面成同一顏色,說(shuō)明平臺(tái)沿該方向嚴(yán)格平動(dòng),無(wú)耦合位移。

圖3 平臺(tái)位移放大倍數(shù)的有限元分析結(jié)果

2.3 模態(tài)分析

對(duì)微動(dòng)平臺(tái)的模態(tài)進(jìn)行分析,前3階模態(tài)的振型如圖4所示。分別對(duì)應(yīng)平臺(tái)在x、θz、y向上的振型,對(duì)應(yīng)的固有頻率分別為100.2 Hz、133.1 Hz和118.2 Hz。由圖可看出,平臺(tái)在具備大行程情況下,仍具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

圖4 平臺(tái)前3階模態(tài)的有限元分析結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 位移特性測(cè)試

3.1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

圖5為微動(dòng)平臺(tái)的位移測(cè)試系統(tǒng),它由計(jì)算機(jī)、多功能數(shù)據(jù)卡(美國(guó)國(guó)家儀器有限公司,PCI 9263)、驅(qū)動(dòng)電源(哈爾濱芯明天科技有限公司,E01.C3)、壓電微動(dòng)平臺(tái)和電容傳感器(德國(guó)米銥測(cè)試技術(shù)有限公司,CSE1)組成。該系統(tǒng)中各儀器參數(shù):多功能數(shù)據(jù)卡上的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為16位,采樣頻率為100 kS/s;電源輸出電壓的紋波為10 mV,線性度為0.1%,帶寬為0～2 kHz;電容傳感器的測(cè)量范圍為0～1 mm,線性度為0.5 μm,分辨率為0.75 nm。

圖5 平臺(tái)位移測(cè)試系統(tǒng)

3.1.2 位移測(cè)試

對(duì)微動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)單元1的壓電執(zhí)行器施加三角波形電壓(0～150 V～0 V),測(cè)得平臺(tái)各測(cè)量單元傳感器的位移如圖6(a)所示。由圖可知,微動(dòng)平臺(tái)在x向的最大輸出位移為306.1 μm,在y1和y2方向(即測(cè)量單元2、3)的耦合位移分別為0.75 μm和0.86 μm,對(duì)兩者求平均值,從而可得到微動(dòng)平臺(tái)在y方向的耦合位移為0.81 μm,耦合率為0.26%;對(duì)微動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)單元2、3的壓電執(zhí)行器同時(shí)施加三角波形電壓(0～150 V～0 V),測(cè)得平臺(tái)各測(cè)量單元傳感器的位移如圖6(b)所示。由圖可知,在y1和y2方向微動(dòng)平臺(tái)的最大輸出位移分別為401.97 μm和402.72 μm,對(duì)兩者求平均值得到微動(dòng)平臺(tái)在y方向的最大輸出位移為402.3 μm,同時(shí)測(cè)得平臺(tái)在x方向存在的耦合位移為0.57 μm,耦合率為0.14%;對(duì)微動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)單元3的壓電執(zhí)行器施加三角波形電壓(0～150 V～0 V),平臺(tái)各測(cè)量單元傳感器測(cè)得的位移如圖6(c)所示。由圖可知,微動(dòng)平臺(tái)在y1和y2方向的最大輸出位移分別為106.91 μm和365.61 μm,進(jìn)而計(jì)算出平臺(tái)在θz向的最大旋轉(zhuǎn)角度為2.72 mrad。

圖6 平臺(tái)的輸出位移

3.1.3 分辨率

對(duì)平臺(tái)3個(gè)方向的分辨率進(jìn)行測(cè)試時(shí),對(duì)相應(yīng)的壓電執(zhí)行器施加微動(dòng)平臺(tái)可分辨的最小階梯電壓(0.012 V),測(cè)試結(jié)果如圖7所示。由圖可知,平臺(tái)在x、y、θz向的位移分辨率分別為10 nm、10 nm和0.1 μrad。

圖7 平臺(tái)的位移分辨率

3.2 頻率響應(yīng)測(cè)試

3.2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

圖8為微動(dòng)平臺(tái)的頻率響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng),將加速度傳感器粘在微動(dòng)平臺(tái)上,通過(guò)脈沖錘敲擊微動(dòng)平臺(tái)給一個(gè)激勵(lì),平臺(tái)產(chǎn)生的振動(dòng)由加速度傳感器測(cè)得,再經(jīng)過(guò)FFT頻譜分析儀進(jìn)行信號(hào)分析處理,得到平臺(tái)在各個(gè)方向上的頻率響應(yīng)曲線。

圖8 平臺(tái)頻率響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)

3.2.2 測(cè)量結(jié)果

圖9為微動(dòng)平臺(tái)x、y、θz方向的頻率響應(yīng)測(cè)量結(jié)果。由圖可知,微動(dòng)平臺(tái)在x、y、θz方向的固有頻率分別為104.1 Hz、130.0 Hz和115.6 Hz,與有限元分析的結(jié)果基本一致。

圖9 平臺(tái)的頻率響應(yīng)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種可以沿x、y軸平動(dòng),繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的三自由度并聯(lián)壓電微動(dòng)平臺(tái),平臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊,工作臺(tái)面大,位移行程大,可運(yùn)動(dòng)解耦。對(duì)平臺(tái)的性能進(jìn)行了分析測(cè)試,結(jié)果表明,平臺(tái)在x、y、θz方向的最大位移分別為306.1 μm、402.3 μm、2.72 mrad,產(chǎn)生的耦合位移分別為0.81 μm、0.57 μm,位移分辨率分別為10 nm、10 nm、0.1 μrad,固有頻率分別為104.1 Hz、130.0 Hz、115.6 Hz。