蠕动式X_Y_微动工作台的设计实现

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1、蠕动式X-Y-θ微动工作台的设计实现——吴鹰飞李勇周兆英等文章编号:1004-132Ⅹ(2001)03-0263-03蠕动式X-Y-θ微动工作台的设计实现吴鹰飞李勇周兆英刘钦彦摘要:提出了一种新颖的X-Y-θ微动工作台。利用单一压电元件驱动及柔性铰链机构传动获得平面上3个自由度的运动,并与电磁夹紧机构配合实现蠕动式进给,使平面工作台具有高的位移分辨率、大的工作行程和简洁的结构。工作台的核心部件柔性铰链传动机构采用对称设计,有利于运动的导向。通过力学分析,对柔性铰链机构进行了参数选择。测试了工作台的性能

2、,柔性铰链机构刚度的实测值同理论值接近。运动速度大于10μm/s,位移吴鹰飞博士研究生分辨率小于0.1μm。关键词:压电元件;柔性铰链机构;X-Y-θ微动工作台中图分类号:TH13文献标识码:A在微型机械和超精密加工领域,往往需要十满足压电元件驱动的超精密平面工作台的传动机分精确的定位和非常精细的运动,因此需要高性构的要求。柔性铰链利用了弹性材料微小角位移能的超精密定位平面工作台作为其技术支持。例及其自回复的特性,消除了传动过程中的空程和如,随着集成电路集成度的提高,线宽已达到亚微机械摩擦,能获得很高

3、的位移分辨率,并且利用柔米级,因此在制造过程中对定位精度有着苛刻的性铰链机构作为传动装置在结构上十分简洁、紧限制。在微型机械领域要求对微小的零部件进行凑,利于系统小型化,又能与压电元件直接联接,装配,就必须为其提供精密的运动。另外,在机械形成预紧。加工非圆球面时,为了得到精确的形状和高质量因此,选择压电元件作为驱动装置,柔性铰链的表面,对加工过程中刀具相对工件的运动精度机构作为传动装置是一种较为理想的超精密平面提出了严格的要求。这一切都在很大程度上取决工作台的设计方案。于平面运动工作台功能的完善和性能

4、的提高。文中提出了一种新颖的X-Y-θ微动工作实现亚微米甚至纳米级的平面定位,常规的台的运动原理,对其核心部件柔性铰链传动机构驱动和传动方式已不再适用。比如,通常为了实现采用了对称结构,并确定了合理的设计参数,测试精密定位,往往采用伺服电机驱动和精密丝杠传了柔性铰链传动机构的刚度和蠕动式X-Y-θ动的方案,然而此种定位方式由于螺纹空程和传微动工作台的运动性能。动摩擦的存在,其定位精度一般只能达到微米级,1单驱动X-Y-θ微动工作台的原理因此,必须寻求特殊的驱动和传动方式以使平面工作台具有亚微米,甚至纳

5、米级的位移分辨率。利1.1多自由度运动机构的运动原理用电磁驱动可直接对平面工作台进行精细的位置利用压电元件驱动,柔性铰链机构传动的平调整,但是其系统结构较为复杂[1]。另一种经常被面工作台能实现超高精度定位。通常在平面上实现X方向、Y方向的运动需要各自单独的压电元采纳的超精密定位方案是利用压电元件作为驱动件进行驱动,且不易获得θ方向的转动。为了简化装置,柔性铰链机构作为传动装置构成超精密定位系统[2]。平面工作台的结构和控制,完善其功能并提高其性能,提出了一种新颖的单驱动X-Y-θ微动工压电元件具有体

6、积小、刚度大、位移分辨率高作台的设计方案。其核心部件柔性铰链传动机构和响应迅速的特点,适合微小位移的驱动。采用了由单个元件驱动的多自由度运动机构的原通常的传动机构由于机械摩擦和回退空程的理,见图1。杆1、2,运动块A、B及固定端O通过存在而难以传递微小位移,且在尺寸上往往较为铰链连接,运动块C与杆2固接。当驱动元件P庞大,结构上较为复杂,不易于小型化,所以不能伸长时,运动块A相对固定端O沿X方向运动。收稿日期:2000—08—31如果过A处铰链作Y轴的平行线,过B处铰链作·263·中国机械工程第12卷

7、第3期2001年3月X轴的平行线,它们与求,并且在几何杆1的延长线交于一结构和机械受力点,则运动块A相对固上的对称性,所定端O沿X方向运动以当压电驱动元时,运动块B就能够相件变形时,相对于对固定端O沿Y方向固定端O,运动块运动。自然,在运动块CA无偏转地沿X上能获得相对固定端O方向运动,运动块图1多自由度运动机构的旋转运动。B无偏转地沿Y的运动原理图图3柔性铰链传动机构结构图1.2蠕动式X-Y-θ方向运动,运动块微动工作台的运动原理C定点转动。由单驱动多自由度运动的柔性铰链传动机构2.2柔性铰链传动机

8、构的参数和性能为核心构成的蠕动式X-Y-θ微动工作台的结为了使X-Y-θ微动工作台具有理想的性构见图2。图中底板为导磁材料。在传动机构的固能,并考虑安装过程的合理性,与压电元件配合的定端O以及运动块A、B、C上分别安装电磁夹紧柔性铰链传动机构应有适宜的刚度和运动范围。希望柔性铰链传动机构的性能如下:1×1066N/m≤K≤3×10N/mSm≥150μm式中,K为柔性铰链传动机构的刚度;Sm为柔性铰链传动机构所允许的最大位移。图2蠕动式X-Y-θ微动工作台