粘滑驅(qū)動(dòng)納米定位平臺(tái)的研制

0粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)設(shè)計(jì)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)微觀世界的研究日益深入，達(dá)到了雅納米層次，即原始子量級(jí)。微驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為微觀領(lǐng)域研究中最為重要的技術(shù),其發(fā)展水平嚴(yán)重影響微觀領(lǐng)域研究的發(fā)展,因此對(duì)微驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究具有很重要的意義。納米定位及驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為微驅(qū)動(dòng)技術(shù)的關(guān)鍵組成部分,已經(jīng)獲得了科研人員高度的重視,并取得了迅速的發(fā)展。隨著納米定位和驅(qū)動(dòng)技術(shù)的日趨完善,其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛本文在綜合國內(nèi)外在粘滑驅(qū)動(dòng)研究成果的基礎(chǔ)上,提出了一個(gè)單自由度粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)設(shè)計(jì),該平臺(tái)載物臺(tái)可以根據(jù)要求設(shè)計(jì)成相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu),大大增加了粘滑驅(qū)動(dòng)的操作定位平臺(tái)的適用性,同時(shí)也減小了載物臺(tái)的質(zhì)量,從而相應(yīng)地提高了負(fù)載能力。為了優(yōu)化單自由度粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)的設(shè)計(jì),首先選擇相應(yīng)的壓電陶瓷,對(duì)粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型建模;同時(shí),對(duì)粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)中的柔性鉸鏈尺寸進(jìn)行優(yōu)化,防止在驅(qū)動(dòng)過程中柔性鉸鏈在垂直方向上產(chǎn)生耦合運(yùn)動(dòng);成功地搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并對(duì)單自由度粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)的性能進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。1單自由度定位平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文所設(shè)計(jì)的納米定位平臺(tái)基于粘滑驅(qū)動(dòng)原理,其包含了基座、致動(dòng)器(壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)部件)、載物臺(tái)和慣性質(zhì)量塊四個(gè)基本部分。其中致動(dòng)器可帶動(dòng)慣性質(zhì)量塊相對(duì)基座進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)。而載物臺(tái)直接安放在慣性質(zhì)量塊上,他們之間的粘著力取決于摩擦力。納米定位平臺(tái)就是利用載物臺(tái)和慣性質(zhì)量塊之間接觸面的滑動(dòng)摩擦力與最大靜摩擦力間的差異,控制載物臺(tái)相對(duì)于基座的位移。如圖1所示單自由度定位平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。在此設(shè)計(jì)中選擇了雙列滾柱導(dǎo)軌,由于雙列交叉滾柱導(dǎo)軌V型滑槽中是滾柱交叉,實(shí)驗(yàn)具有響應(yīng)快、精度高及穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)該導(dǎo)軌可以對(duì)不同的載物臺(tái)進(jìn)行導(dǎo)向,提高了定位平臺(tái)的適用性。在此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,載物臺(tái)設(shè)計(jì)成“T”型結(jié)構(gòu),下面為慣性質(zhì)量塊,上面為載物滑臺(tái)。傳動(dòng)部分采用了平行板柔性鉸鏈。柔性鉸鏈也稱為柔性軸承,是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形狀規(guī)則的彈性支撐體。柔性鉸鏈具有響應(yīng)快、無間隙、無機(jī)械摩擦、無噪聲及無空回定位精度高等優(yōu)點(diǎn),在精密微調(diào)和微控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本實(shí)驗(yàn)采用板式柔性鉸鏈實(shí)現(xiàn)基座、壓電陶瓷和慣性質(zhì)量塊之間的彈性連接。在安裝壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器時(shí),還需要對(duì)上述彈性連接機(jī)構(gòu)進(jìn)行預(yù)緊,防止壓電陶瓷與傳動(dòng)柔性鉸鏈之間存在間隙,從而影響定位精度等性能。所謂預(yù)緊力是機(jī)械專業(yè)術(shù)語。在對(duì)彈性連接機(jī)構(gòu)的壓電陶瓷施加工作電壓之前,為了增強(qiáng)連接的可靠性和緊密性,以防受到載荷后連接件間出現(xiàn)縫隙或者相對(duì)滑移而預(yù)先受力。在對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行預(yù)緊時(shí),為了防止預(yù)緊螺栓損壞壓電陶瓷,設(shè)計(jì)時(shí)采用了預(yù)緊柔性鉸鏈。為了調(diào)整載物臺(tái)與慣性質(zhì)量塊之間的摩擦力,本文選用了彈簧片,將其放置在載物臺(tái)下面,以調(diào)節(jié)載物臺(tái)與慣性質(zhì)量塊之間的正壓力。2壓電陶瓷輸出位移的測(cè)量由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中壓電陶瓷所采用的昆山攀特公司PTJ150型3mm×3mm×6mm的疊堆型壓電陶瓷的最大輸出力為330N,即壓電陶瓷最多能承受330N的壓力,超過330N壓力就不能輸出位移(X),因?yàn)轭A(yù)緊力F3參數(shù)優(yōu)化3.1柔性新型真系結(jié)構(gòu)分析柔性鉸鏈在驅(qū)動(dòng)方向上和垂直方向上都存在剛度,為了盡量避免驅(qū)動(dòng)過程中柔性鉸鏈在垂直方向耦合振動(dòng),在設(shè)計(jì)過程中柔性鉸鏈在垂直方向上的剛度要遠(yuǎn)大于柔性鉸鏈在驅(qū)動(dòng)方向上的剛度,這樣柔性鉸鏈在垂直方向上的共振頻率遠(yuǎn)大于其在驅(qū)動(dòng)方向上的共振頻率,此時(shí)施加驅(qū)動(dòng)頻率低于柔性鉸鏈在驅(qū)動(dòng)方向上的共振頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào),從而使其盡可能減少在垂直方向上的耦合振動(dòng),因此對(duì)柔性鉸鏈在垂直方向上的剛度和在驅(qū)動(dòng)方向上的剛度進(jìn)行分析比較,從而優(yōu)化柔性鉸鏈的尺寸。對(duì)直角平行板柔性鉸鏈進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,發(fā)現(xiàn)其是對(duì)稱的,是由4個(gè)一樣的薄板和一個(gè)慣性質(zhì)量塊構(gòu)成式中:w為鉸鏈位移;I為鉸鏈的慣性質(zhì)量矩;b為柔性鉸鏈的寬度;d為柔性鉸鏈的厚度;L為柔性鉸鏈的長度;E為柔性鉸鏈材料的彈性模量。同理可得平行板柔性鉸鏈在垂直方向上的剛度(KK為了使傳動(dòng)柔性鉸鏈在垂直方向上的剛度是其在驅(qū)動(dòng)方向上剛度的16倍且柔性鉸鏈在驅(qū)動(dòng)方向上的剛度為3.3N/μm,此剛度相對(duì)于壓電陶瓷的剛度較小,所以載物臺(tái)與柔性鉸鏈的共同最大位移與壓電陶瓷在自由狀態(tài)下的最大輸出位移幾乎不變3.2等效定位平臺(tái)定位平臺(tái)的性能除了與柔性鉸鏈有關(guān),還與慣性質(zhì)量塊質(zhì)量、摩擦力及驅(qū)動(dòng)信號(hào)等其他參數(shù)有關(guān),為了在設(shè)計(jì)過程中分析這些參數(shù)對(duì)定位平臺(tái)的影響,需要對(duì)定位平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。在力學(xué)方面,壓電陶瓷等效為一個(gè)質(zhì)量-阻尼-彈簧系統(tǒng),在電學(xué)方面,壓電陶瓷等效為理想的電位移換能器。柔性鉸鏈、慣性質(zhì)量塊和彈簧片也等效為一個(gè)質(zhì)量-阻尼-彈簧系統(tǒng)。因此圖2所設(shè)計(jì)的定位平臺(tái)可以等效為圖5的模型。其中f為無預(yù)緊力作用下壓電陶瓷的輸出力,m對(duì)于載物臺(tái)與慣性質(zhì)量塊之間的摩擦力采用LuGre摩擦模型,該摩擦模型能夠較為精準(zhǔn)地描述慣性質(zhì)量塊與載物臺(tái)之間的靜摩擦力、動(dòng)摩擦力以及兩者之間的變化狀態(tài)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中:σ根據(jù)上述定位平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型表達(dá)式(4)~(7),利用Matlab中的Simulink對(duì)定位平臺(tái)進(jìn)行仿真建模,可得到定位平臺(tái)位移輸出狀態(tài)的變化,如圖6所示,圖中t如圖6所示,在每個(gè)周期開始階段都會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象,是因?yàn)閴弘娞沾珊腿嵝糟q鏈等都可以等效為彈簧-阻尼-質(zhì)量系統(tǒng)。所以當(dāng)壓電陶瓷在改變伸縮方向時(shí),這些彈簧-阻尼-質(zhì)量系統(tǒng)仍存在響應(yīng)和平穩(wěn)時(shí)間。如果當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的周期足夠小時(shí),這些振蕩就會(huì)嚴(yán)重影響定位平臺(tái)的精度和分辨率。因此需要利用定位平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型優(yōu)化參數(shù),盡量減小定位平臺(tái)的振蕩,使其能夠快速平穩(wěn)地達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。4粘滑驅(qū)動(dòng)納米定位平臺(tái)及分析本次設(shè)計(jì)的基于粘滑驅(qū)動(dòng)原理的單自由度納米定位平臺(tái)的尺寸為28mm×34mm×12mm。為了能夠測(cè)量定位平臺(tái)的位移,本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用美國NationalInstrument的數(shù)據(jù)采集卡,用來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)和采集位移數(shù)據(jù);采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)博實(shí)精密測(cè)控公司的HPV驅(qū)動(dòng)電源,可以將編程所輸出的控制電壓放大15倍;采用德國的Polytec非接觸式激光測(cè)振儀測(cè)量定位平臺(tái)的微位移;采用美國國家儀器(NI)有限公司的Signalexpress信號(hào)處理軟件處理數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同,定位平臺(tái)可以分為步進(jìn)模式和掃描模式。對(duì)于步進(jìn)模式,經(jīng)過多次測(cè)量發(fā)現(xiàn),當(dāng)給定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升頻率為100Hz,下降頻率1000Hz時(shí),基于粘滑驅(qū)動(dòng)原理的定位平臺(tái)運(yùn)動(dòng)效果最為理想,對(duì)納米定位平臺(tái)分別施加0~60V,0~90V及0~120V鋸齒波電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng),觀察其位移變化。先用Polytec非接觸式激光測(cè)振儀測(cè)量定位平臺(tái)的微位移,然后在Labview軟件上可以直觀得到定位平臺(tái)的微位移。由圖8~10所示,當(dāng)給定上述所加電壓時(shí),電壓越大,定位平臺(tái)的載物臺(tái)每個(gè)周期前進(jìn)的位移越大,但觀察圖可知,當(dāng)施加60,90和150V電壓時(shí),壓電陶瓷與載物臺(tái)的共同位移分別只有0.3,0.48和0.7μm,載物臺(tái)的位移分別為0.15,0.18和0.21μm。由此可見當(dāng)預(yù)緊力存在時(shí),會(huì)影響壓電陶瓷的實(shí)際位移,同時(shí)可得電壓越大,載物臺(tái)的實(shí)際位移也越大其最大位移速度能達(dá)到0.021mm/s。由于該設(shè)計(jì)中慣性質(zhì)量塊的凸臺(tái)長只有10mm,因?yàn)樵摱ㄎ黄脚_(tái)需要慣性質(zhì)量塊與載物臺(tái)接觸摩擦,因此該定位平臺(tái)的行程受限于凸臺(tái)的長度,因而該定位平臺(tái)行程大約為10mm。在掃描模式中,分辨率作為定位平臺(tái)的重要參數(shù),本文對(duì)其施加頻率為100Hz正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)以減小外界環(huán)境的干擾。在掃描模式中,定位平臺(tái)的分辨率取決于壓電陶瓷的分辨率,理論上壓電陶瓷的分辨率是無限小的,但由于信號(hào)發(fā)生源存在分辨率,因此壓電陶瓷分辨率取決于信號(hào)發(fā)生源的分辨率。實(shí)驗(yàn)中將正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)從0V輸出,每次增加0.1V,當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)達(dá)到0.8V時(shí),定位平臺(tái)獲得一個(gè)較為穩(wěn)定的位移輸出,大約為20nm左右,因此定位平臺(tái)在掃描模式下的分辨率為10nm(圖11)。5柔性誤差分析利用粘滑驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)了單自由度納米定位平臺(tái),其最大尺寸為28mm×34mm×12mm,可實(shí)現(xiàn)10nm定位分辨率和10mm的運(yùn)動(dòng)行程。其中定位平臺(tái)采用了雙列交叉導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向,因此載物臺(tái)的設(shè)計(jì)可以多樣化,從