一種壓電步進(jìn)微動(dòng)轉(zhuǎn)臺的研究*＊1

胡長德 符 鵬 閔和平 毛安定 鄧小林

(①裝備學(xué)院昌平士官學(xué)校，北京 102200;②西藏軍區(qū)裝備修理大隊(duì)，西藏拉薩 850000)

人類希望能夠認(rèn)識納米世界和改造納米世界，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的前提就是實(shí)現(xiàn)在納米尺度下進(jìn)行觀測、操作，換句話說就是需要能在微尺度下觀測和操作的工具。隨著微納米技術(shù)［1］的迅猛發(fā)展，許多領(lǐng)域越來越迫切需要微納米定位系統(tǒng)，如生物細(xì)胞、聚合物的各種操作，微型機(jī)電系統(tǒng)的制造與檢測，大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)，超精密機(jī)械加工，微外科手術(shù)，掃描探針顯微鏡(SPM)系統(tǒng)，光纖對接，半導(dǎo)體制版的精密定位［2］等。微定位技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)的重要組成部分，也是21世紀(jì)的科技前沿——納米技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)［3］之一。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器克服了以往機(jī)械式、液壓式、氣動(dòng)式、電磁式等執(zhí)行器慣性大、響應(yīng)慢、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差等不足，具有體積小、承載力大、分辨率高、無噪聲，不發(fā)熱等優(yōu)點(diǎn)，作為一種理想的微位移驅(qū)動(dòng)器件，被廣泛應(yīng)用于納米精密定位系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)掃描系統(tǒng)中。

本文研制的壓電步進(jìn)微動(dòng)轉(zhuǎn)臺，借助柔性機(jī)械結(jié)構(gòu)，將壓電陶瓷的微位移以角度方式輸送出來。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，采用柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)，夾緊器和驅(qū)動(dòng)器均采用雙驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)推—拉接力運(yùn)動(dòng)。配以適當(dāng)?shù)乃穆夫?qū)動(dòng)信號，實(shí)現(xiàn)了壓電驅(qū)動(dòng)裝置的單步、多步連續(xù)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。以獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新穎的電路控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大范圍、微角度、連續(xù)運(yùn)動(dòng)，具有很好的應(yīng)用前景。

1 壓電微動(dòng)轉(zhuǎn)臺原理

壓電步進(jìn)式微動(dòng)轉(zhuǎn)臺(PZTT)為實(shí)現(xiàn)軸的勻速和連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，基于“尺蠖”原理，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的交替“推—拉”［4］。如圖1所示，這是步進(jìn)微動(dòng)轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動(dòng)原理簡圖。PZTT由2個(gè)夾緊器C1、C2和2個(gè)促動(dòng)器A1、A2組成。圖1a為OFF放松狀態(tài);圖1b時(shí)，C2夾緊、C1放松;圖1c中A1、A2一同伸張，C2帶動(dòng)聯(lián)動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)。如此(b)、(c)、(d)、(e)狀態(tài)反復(fù)交替，使固定在聯(lián)動(dòng)盤上的軸實(shí)現(xiàn)順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，將C1、C2順序顛倒，軸將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由于A1、A2位移速度相等，因此能保證軸連續(xù)勻速旋轉(zhuǎn)。在A2伸張和A1收縮交替時(shí)重疊了一段，此時(shí)C1、C2同時(shí)夾緊，以防C1、C2松、緊交替時(shí)，軸會發(fā)生瞬時(shí)失速。

2 壓電微動(dòng)轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 壓電微動(dòng)轉(zhuǎn)臺總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓電微動(dòng)轉(zhuǎn)臺的基本結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖如圖2和3所示，整個(gè)裝置呈圓柱狀，機(jī)蓋外圓直徑106 mm，8塊壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器呈環(huán)形均勻分布在驅(qū)動(dòng)器上，驅(qū)動(dòng)器由4扇動(dòng)體和4扇定體組成。每相對的兩塊為一組，分別決定順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。夾緊器緊固在驅(qū)動(dòng)器的4扇動(dòng)體上。當(dāng)夾緊器上的壓電晶體外加電壓后，壓電晶體產(chǎn)生形變，開始膨脹，在柔性鉸鏈的放大作用下，夾緊頭夾緊聯(lián)動(dòng)盤，這個(gè)時(shí)候給驅(qū)動(dòng)器上的壓電晶體加電壓，這樣壓電晶體的位移將迫使動(dòng)體轉(zhuǎn)過一個(gè)微小角度。角度通過聯(lián)動(dòng)盤，軸承和軸輸出來。

2.2 柔性鉸鏈計(jì)算

柔性鉸鏈有多種結(jié)構(gòu)形式，本文采用常用簡單的單軸雙圓弧結(jié)構(gòu)，如圖4所示。因?yàn)閱屋S柔性鉸鏈的主要變形發(fā)生在XY平面上，所以在計(jì)算時(shí)忽略了YZ平面和XZ平面內(nèi)的變形［5］。其杠部的截面為矩形，鉸鏈由兩個(gè)垂直于端面且對稱分布的半圓柱面切割而成。圖中R為柔性鉸鏈的切割半徑，t為柔性鉸鏈的最小厚度，b為柔性鉸鏈的寬度。h為柔性鉸鏈的高度，對于柔性鉸鏈有:h=t+2R。柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度是其最重要的性能參數(shù)，由于柔性鉸鏈的尺寸與機(jī)構(gòu)的尺寸相比較小，可以近似認(rèn)為其兩邊所受的力矩相等［6］，且可忽略去柔性鉸鏈圓弧以外的角位移［7］。

柔性鉸鏈的一般設(shè)計(jì)方法很復(fù)雜。通過對微位移機(jī)構(gòu)的柔性鉸鏈進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)具有2個(gè)明顯的特點(diǎn):一是位移量(即柔性鉸鏈的變形)小，一般是幾十微米到幾百微米;二是結(jié)構(gòu)參數(shù)在一般情況下t≥R，由此推出簡化設(shè)計(jì)方法。

在轉(zhuǎn)角很小時(shí)，柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角θ公式［8］為

可求得不同的R、t值時(shí)柔性鉸鏈轉(zhuǎn)角剛度M/θ的值如表1。

表1 柔性鉸鏈轉(zhuǎn)角剛度 N·m/rad

2.3 夾緊器和驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

2.3.1 夾緊器的設(shè)計(jì)

由于所選驅(qū)動(dòng)夾緊器的壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器最大形變10 μm，位移不夠大，因此為滿足夾緊的需要，夾緊器在機(jī)械結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了放大機(jī)構(gòu)。同時(shí)，為了減小夾緊的遲滯現(xiàn)象，擬采用杠桿原理與柔性鉸鏈結(jié)合的結(jié)構(gòu)。如圖5所示，夾緊器為對稱結(jié)構(gòu)，以便減小夾緊力引起的對軸彎矩［9］，降低對微動(dòng)臺精度的影響，使微動(dòng)臺回轉(zhuǎn)均勻，無遲滯現(xiàn)象，無機(jī)械摩擦。

取 a=6.5 mm，b=18.5 mm，那么放大倍數(shù) k=b/a=18.5/6.5≈3。用Romberg數(shù)值積分對式(1)進(jìn)行積分，夾緊器選取t=1 mm，R=1.5 mm，E鋼=200 GPa，b=10 mm，(M/θ)c=0.619Eb，而所選擇的重慶壓電與聲光研究所的壓電晶體外加10 V電壓后的最小推力通過計(jì)算其剛度＞3×0.619Eb，設(shè)計(jì)合理，滿足要求。

2.3.2 驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)見圖6所示，由4個(gè)動(dòng)體和4個(gè)固定在本體上的定體組成，動(dòng)體上固定著夾緊器。

動(dòng)體由相對的2個(gè)壓電晶體一起驅(qū)動(dòng)，由于壓電晶體驅(qū)動(dòng)電源電壓相同，同時(shí)它們各自參數(shù)相同，所以它們的形變以及對動(dòng)體產(chǎn)生的力近似相等，F(xiàn)1=F2，近似為一對力偶［10］。這種直接驅(qū)動(dòng)雖然對角度沒有放大作用，但是可以減小干擾及由傳動(dòng)環(huán)節(jié)引入的誤差。動(dòng)體擺動(dòng)仍然采用柔性鉸鏈，設(shè)計(jì)方法參見夾緊器設(shè)計(jì)。這里的柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)尺寸如下:t=1.7 mm，R=1.75 mm。參見表1同理可得，設(shè)計(jì)合理，滿足要求。

3 試驗(yàn)分析

所用實(shí)驗(yàn)裝置包括:TJU2000型CCD高精度光電自跟蹤光電自準(zhǔn)直儀，壓電微動(dòng)轉(zhuǎn)臺控制器，壓電驅(qū)動(dòng)電源，壓電微動(dòng)轉(zhuǎn)臺，平面反射鏡。具體連接關(guān)系如圖7所示。

CCD光電自準(zhǔn)直儀是一種高精度自動(dòng)測角儀器，它可以對反射角鏡的微小角位移或把變動(dòng)轉(zhuǎn)化成微小角位移的目標(biāo)進(jìn)行高精度測量［11］。儀器采用線陣CCD以象素掃描方式對自準(zhǔn)直回像進(jìn)行測量并用單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理，及時(shí)給出被測目標(biāo)相對于儀器光軸的雙坐標(biāo)角位移，因此可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)角度測試。

表2 160 V壓下不同頻率按步行進(jìn)輸出的角位移

表3 80 V電壓下不同頻率按步行進(jìn)輸出的角位移

(1)固定電壓時(shí)回轉(zhuǎn)角位移隨頻率變化情況。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測試壓電微動(dòng)轉(zhuǎn)臺在固定電壓情況下，運(yùn)動(dòng)位移隨頻率變化情況

實(shí)驗(yàn)過程:每次設(shè)置相同電壓，不同頻率，間隔5 Hz測試1次。頻率范圍:1～40 Hz，測得在160 V、80 V下兩組數(shù)據(jù)見表2、表3。

由表2、3中的數(shù)據(jù)可以看出，在固定電壓下，角位移隨頻率提高而呈減小趨勢，這是由于壓電材料的充放電與頻率有關(guān)，當(dāng)頻率提高時(shí)壓電陶瓷充放電不完全所造成的。

(2)固定頻率時(shí)回轉(zhuǎn)角位移隨電壓變化情況

表4 5 Hz條件下，不同電壓按步行進(jìn)的角位移

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測試壓電步進(jìn)微動(dòng)轉(zhuǎn)臺在固定頻率情況下，回轉(zhuǎn)角度隨電壓變化情況。測得數(shù)據(jù)見表4。

(3)速度測試

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測試壓電步進(jìn)微動(dòng)轉(zhuǎn)臺運(yùn)行速度。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境:實(shí)驗(yàn)室17樓101，室溫。

實(shí)驗(yàn)過程:施加不同電壓(160 V、80 V)，在不同頻率(1～40 Hz)下，測試微動(dòng)轉(zhuǎn)臺的運(yùn)行速度。數(shù)據(jù)見表5、表 6。

從表5、6可以看出，施加的電壓越高，頻率越高，微動(dòng)臺的運(yùn)行速度越快。在頻率為40 Hz、幅值為160 V的驅(qū)動(dòng)電壓下速度達(dá)到430.4″/s。

(4)最小步距

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測試壓電步進(jìn)微動(dòng)轉(zhuǎn)臺運(yùn)行的最小步距。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境:實(shí)驗(yàn)室17樓101，室溫。

實(shí)驗(yàn)過程:施加30 V、5 Hz電壓，每行進(jìn)10步測1次角位移量，測試微動(dòng)臺的最小步距。數(shù)據(jù)見表7。

表5 160 V電壓下不同頻率運(yùn)行速度比較

表6 80 V電壓下不同頻率運(yùn)行速度比較

表7 30 V、5 Hz下每行進(jìn)10步位移

表8 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

經(jīng)測試，在施加20 V以下電壓時(shí)，微動(dòng)臺運(yùn)行不穩(wěn)定，無法分辨角位移，有回退現(xiàn)象，因此，我們?nèi)?shù)據(jù)相對穩(wěn)定的30 V、5 Hz電壓下測得的角位移量作為最小步距。測得每10步位移平均值為22.63″，則單步步距為2.26″，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(5)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測試壓電步進(jìn)微動(dòng)轉(zhuǎn)臺運(yùn)行的穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境:實(shí)驗(yàn)室17樓101，室溫。

實(shí)驗(yàn)過程:60 V、5 Hz電壓下每行進(jìn)5步測1次，共測15次，進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)分析。測得數(shù)據(jù)見表8。

4 結(jié)語

納米科技是前沿科技，是一門實(shí)踐性和理論性結(jié)合的很強(qiáng)的學(xué)科，傳感器的實(shí)用性也需要通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證并進(jìn)行多次的改進(jìn)。本課題研發(fā)的壓電步進(jìn)微動(dòng)轉(zhuǎn)臺，將壓電晶體微驅(qū)動(dòng)器的微位移以角度方式輸送出來。并對樣機(jī)行了實(shí)驗(yàn)測試，理論分析結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果基本相符。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在頻率為5 Hz、幅值為30 V驅(qū)動(dòng)電壓下測得最小步距小于3″，在頻率為40 Hz幅值為160 V的驅(qū)動(dòng)電壓下速度達(dá)到430.4″/s。同時(shí)，動(dòng)體沒有纏繞，使得驅(qū)動(dòng)器可以在任意位置啟動(dòng)，并可連續(xù)旋轉(zhuǎn)在精密工程的有關(guān)領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

［1］王家疇，榮偉彬，孫立寧.納米操作系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)［J］.壓電與聲光，2007，29(3):340 －343.

［2］金大重.生化檢測用集成微機(jī)械懸臂梁諧振傳感器技術(shù)［D］.北京:中國科學(xué)院研究生院，2006:47－48.

［3］孫立寧，孫紹云，曲東升.基于PZT的微驅(qū)動(dòng)定位系統(tǒng)及控制方法的研究［J］.光學(xué)精密工程，2004(2):55－59.

［4］趙美蓉，溫麗梅，林玉池，等.大行程納米級步距壓電電動(dòng)機(jī)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40(8):119 －122.

［5］胡長德.回轉(zhuǎn)式微動(dòng)壓電電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電源的研究［D］.天津:天津大學(xué)，2006.

［6］巍強(qiáng)，張玉林.壓電陶瓷微位移工作臺的建模方法［J］.光學(xué)精密工程，2007，15(10):1596 －1601.

［7］趙宏偉，吳博達(dá)，程光明.基于壓電驅(qū)動(dòng)器的精密步進(jìn)旋轉(zhuǎn)電機(jī)［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(10):166 －170.

［8］吳鷹飛，周兆英.柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)剛度計(jì)算公式的推導(dǎo)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25(1):125 －128.

［9］杜志江，董為.柔性鉸鏈及其在精密并聯(lián)機(jī)器人中的應(yīng)用［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38(9):1469 －1473.

［10］趙燕，黃真.含過約束力偶的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的受力分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46(5):15 －21.

［11］林玉池.TJU2000型CCD高精度光電自跟蹤光電自準(zhǔn)直儀指導(dǎo)手冊［M］.天津:天津大學(xué)出版社，2001.