微位移技术
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图! 二维微位移机构原理图
与压电驱动相比， 电致伸缩 驱动具有 %） 滞后小， 瞬时 !） 稳定性好， 位移重复性好， "） 热膨胀系数很小等特点。 $） 本 研 究 以 12（ 34% 0 " 陶瓷制 52! 0 "） 6（简称 735） " 作电致伸缩驱动器， 其应变 （ ! ）# 场强 （ "） 特性如图 " 所示， 从曲线可见， 增程 （场 图 " 铌 镁 酸 铅 陶 瓷 应 变 强增加） 与回程 （场强减少） （ !） （ "） 特性 # 场强 不重合， 但滞后量较小仅 8 ( 场强减小至零后， 无残余应变； 在 %&&&+ 0 ’’ 电场 ,* ； 驱动下， 其应变 ! . % ( &* - %& # " ， 由式 （ "） 可得电致伸 #9 缩系数 & . % ( &* - %& （无压电效应， 故 ) . &） 。 叠层驱动器是将电极与电致伸缩陶瓷烧结为一整 体如图 $: 所示， 每层既为一平板电容器， 图 $2 是驱动 器等效电路， 故驱动器的总电容 + ! 为： 0 - !& !/0・ !/ .!& （$） . ! ! .! （ ;） ； 式中： , 为层数， + 为一层的电容 . 为极板间距 ! （’） ； ! 为驱动器工作中的最大应变为 % ( &* - %& # " ； 0 + ! . ,・+ . !! . 为极板面积； - 为驱动器行程； !/ . %8%&& 为材料的介 # %! ! ! ・ 为真空介电常 电常数， ’（ 0 =4 ’"） !& . , ( ,* - %& < ・ 数。平板电容器内部场强 " 与极板上的驱动电压 1 的关系为 1 . ". ， 根据式 （"） ， 可得： ! . &"! . & 则， 1. 1! .! （*）
用柔性铰链可以消除爬行， 提高运动的灵敏度， 使结构 简单紧凑。在微位移机构中位移量比较小， 机构的刚 度相对要大些， 故在选择柔性铰链结构参数时， 一般使 铰链缺口宽度 ’ 与缺口半径 ( 在尺寸上比较接近， 而 较结构中其它尺寸小得多。因此， 在柔性铰链机构运
按杆长和铰链的转角刚度， 根据受力平衡可以计 算得到机构产生最大位移 （ "## 时所需的驱动力。 $） ! ! 材料选用 +#D5"E6， 计 , % " " & ’ &# F G $$" ， . % "#$$， 算得 / 处 和 . 处 所 需 最 大 驱 动 力 分 别 为： !#1F 和 而电致伸缩陶瓷驱动器出力可达 &!#H3， 满足使 !*,F，
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叠层驱动器
万方数据 期 !&&!年第 %&
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台达 "## 与直接驱动相比大大减小驱动器 $ 的行程， ! 的体 积 和 电 容， 提 高 了 系 统 响 应 速 度。 取 ! ! % 由式 （,） 算得驱 # % # " !$$， $ % &*+ " )$$ ， & " #! ’ &# ， ! 由式 （+） 得最大使用电压 动器 电 容 % % & " !.， ! & % !##/。
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精密微动工作台二维微位移机构的设计研究
张庆 王华坤 范元勋
!"##$% 南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京
摘要： 介绍了一种精度高、 性能稳定、 结构简单的二维微动工作台微位移机构的工作原理及其设计； 着重 分析了为消除机构间隙和工作台爬行， 提高定位精度和响应速度所采取的技术措施： 电致伸缩陶瓷驱 动、 柔性铰链与杠杆放大一体化结构等。 关键词： 微动工作台； 柔性铰链； 电致伸缩陶瓷 中图分类号： &’""! ( ) 文献标识码： （!##!） * 文章编号： "##" + !!,) "# + ##!, + #-
分辨率 # ( #" H。微位移机构是采用杠杆原理与柔性 ! 铰链结合的整体式结 构， 利用 叠 层 式 电 致 伸缩 陶 瓷 作 为 驱 动 器， 如 图 " 所 示。其 机构 原 理 如 图 !， 整 个机构由两组杠杆平 行四边 形 机 构 组 成， 在第一组杠杆平行四 边 形 机 构 *PQ + 杠 杆 *PQ RS’0 中， 和 杠 杆 RQS 组 成 一 二级杠 杆 机 构， 其中
机构的响应速度提 高。由于采用柔性
铰链， 无间隙， 无摩擦， 无爬行， 无需润滑， 故该工作台 结构简单紧凑， 定位精度高， 易制造， 成本低。 工作台的主要参数为： 行程 !&& ’ ! 定位精度优于 ( & ( % ’ ! 调节电压范围 & ) *&&+ 外形尺寸 %,& - %$* - !& ’’
图! 柔性铰链
用要求。
动中， 只是铰链发生角位移变形， 而其它部分则是刚性 的。如图 ! 所示， 可将柔性铰链看作一变截面悬臂梁， 其变形是由许多微段弯曲变形积累的结果。在力矩 微段 0 * 的转角为 0 则整个铰链的转角" ) 作用下， "， 为：
,
结束语
采用柔性铰链结构、 电致伸缩陶瓷驱动的二维微
! ・. （8） & 由式 （$） 可知， 与 . ! 成反比。极板 +! 与 0， - 成正比， 面积 0 的选取应满足出力和强度要求； 极板间距 . 受
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驱动电压 1 的限制 （见式 （ 8） ） ， 驱动电压 1 太大会给 使用带来不便； 该微位移机构中采用了 %& 倍率的杠杆 放大， 只要求驱动器的行程为 !& ’ 便能驱动工作 !
位移机构， 定位精度高， 无爬行， 结构简单， 使用方便。 与直接驱动方式相比， 使用杠杆放大不仅增加了机构 行程， 而且减小了驱动器的电容， 缩短了充放电时间， 提高了系统的响应速度。该机构可广泛用于微机电系 统和微机电制造系统的精密工作台。
［参考文献］ ［&］ 钟映春， 谭湘强， 杨宜民 " 泳动微机器人主体机构的设计研 究 " 机床与液压， （+） "##& ［"］ 温保松， 严鸿萍， 马佳华 " 铌酸镁的合成与铌镁酸铅基电致 伸缩陶瓷性能关系研究 " 无机材料学报， （&"） &--［)］ 薛实福， 李庆祥 " 精密仪器设计 " 北京： 清华大学出版社， &--& 收稿日期： "##" ( #) ( "& 作者简介： 张庆 （&-+, ( ） ， 男， 江苏南京人， 南京理工大学 机械工程学院讲师， 硕士。 （编辑 苏伯光）
支点。电致伸缩陶瓷驱动器 T 加上电压在 P 点产 生的微量位移， 经两级杠杆放大拉动平行四边形机构 使连杆 U 产生 ! 方向的位移。同理， 在连杆 U RS’0， 上也有一组杠杆平行四边形组合机构 7IC + ?D<4， 在驱 动器 " 驱动下， 使连杆 # 产生 $ 方向位移， 这样最终 实现了连杆 # 的二维移动。 %、 & 两个方向的杠杆倍率 ’$ 、 ’! 分别为： ()* (,・ ()+ (*(./ (12 ’! V ・ (.0 (/2 ’$ V （"） （!）
" 引言
微机电系统在尺度上可以是本身尺度很小的系 统， 如集成电路、 微传感器等， 也可以是高度集成的超 小型系统， 如微型遥控飞机、 机电液高度集成的化学分 析仪器等， 或本身尺寸不小， 但其作用对象很小的系 统， 如基因工程中的显微操作系统等。因此， 在微机电 系统以及微机电系统制造设备中， 要求工作台具有较 长的行程 （十几毫米至几十毫米） 和高的定位精度 （亚 微米甚至纳米级） 。对行程达几十毫米的工作台， 采用 滚珠丝杆驱动、 滚动导轨支承。要实现亚微米级的定 位， 必须对传动机构和支承导轨的加工装配提出极高 的要求， 为此可采用粗、 精两个工作台， 粗工作台完成 大位移， 而高精度定位由微位移工作台实现。其中微 位移工作台的微位移机构能否易于实现稳定的微位移 和准确的定位， 将直接影响微动工作台的精度、 使用和 经济性。本研究利用柔性铰链和杠杆放大原理， 设计 了一种电致伸缩驱动的二维微位移机构， 如图 " 所示； 行程可达 !## 配备双频激光干涉仪和控制电路组 H； ! 成的闭环控制系统， 其定位精度小于 O # ( H。 !
与压电驱动相比， 电致伸缩 驱动具有 %） 滞后小， 瞬时 !） 稳定性好， 位移重复性好， "） 热膨胀系数很小等特点。 $） 本 研 究 以 12（ 34% 0 " 陶瓷制 52! 0 "） 6（简称 735） " 作电致伸缩驱动器， 其应变 （ ! ）# 场强 （ "） 特性如图 " 所示， 从曲线可见， 增程 （场 图 " 铌 镁 酸 铅 陶 瓷 应 变 强增加） 与回程 （场强减少） （ !） （ "） 特性 # 场强 不重合， 但滞后量较小仅 8 ( 场强减小至零后， 无残余应变； 在 %&&&+ 0 ’’ 电场 ,* ； 驱动下， 其应变 ! . % ( &* - %& # " ， 由式 （ "） 可得电致伸 #9 缩系数 & . % ( &* - %& （无压电效应， 故 ) . &） 。 叠层驱动器是将电极与电致伸缩陶瓷烧结为一整 体如图 $: 所示， 每层既为一平板电容器， 图 $2 是驱动 器等效电路， 故驱动器的总电容 + ! 为： 0 - !& !/0・ !/ .!& （$） . ! ! .! （ ;） ； 式中： , 为层数， + 为一层的电容 . 为极板间距 ! （’） ； ! 为驱动器工作中的最大应变为 % ( &* - %& # " ； 0 + ! . ,・+ . !! . 为极板面积； - 为驱动器行程； !/ . %8%&& 为材料的介 # %! ! ! ・ 为真空介电常 电常数， ’（ 0 =4 ’"） !& . , ( ,* - %& < ・ 数。平板电容器内部场强 " 与极板上的驱动电压 1 的关系为 1 . ". ， 根据式 （"） ， 可得： ! . &"! . & 则， 1. 1! .! （*）
用柔性铰链可以消除爬行， 提高运动的灵敏度， 使结构 简单紧凑。在微位移机构中位移量比较小， 机构的刚 度相对要大些， 故在选择柔性铰链结构参数时， 一般使 铰链缺口宽度 ’ 与缺口半径 ( 在尺寸上比较接近， 而 较结构中其它尺寸小得多。因此， 在柔性铰链机构运
按杆长和铰链的转角刚度， 根据受力平衡可以计 算得到机构产生最大位移 （ "## 时所需的驱动力。 $） ! ! 材料选用 +#D5"E6， 计 , % " " & ’ &# F G $$" ， . % "#$$， 算得 / 处 和 . 处 所 需 最 大 驱 动 力 分 别 为： !#1F 和 而电致伸缩陶瓷驱动器出力可达 &!#H3， 满足使 !*,F，
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摘要： 介绍了一种精度高、 性能稳定、 结构简单的二维微动工作台微位移机构的工作原理及其设计； 着重 分析了为消除机构间隙和工作台爬行， 提高定位精度和响应速度所采取的技术措施： 电致伸缩陶瓷驱 动、 柔性铰链与杠杆放大一体化结构等。 关键词： 微动工作台； 柔性铰链； 电致伸缩陶瓷 中图分类号： &’""! ( ) 文献标识码： （!##!） * 文章编号： "##" + !!,) "# + ##!, + #-
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机构的响应速度提 高。由于采用柔性
铰链， 无间隙， 无摩擦， 无爬行， 无需润滑， 故该工作台 结构简单紧凑， 定位精度高， 易制造， 成本低。 工作台的主要参数为： 行程 !&& ’ ! 定位精度优于 ( & ( % ’ ! 调节电压范围 & ) *&&+ 外形尺寸 %,& - %$* - !& ’’
图! 柔性铰链
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动中， 只是铰链发生角位移变形， 而其它部分则是刚性 的。如图 ! 所示， 可将柔性铰链看作一变截面悬臂梁， 其变形是由许多微段弯曲变形积累的结果。在力矩 微段 0 * 的转角为 0 则整个铰链的转角" ) 作用下， "， 为：
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采用柔性铰链结构、 电致伸缩陶瓷驱动的二维微
! ・. （8） & 由式 （$） 可知， 与 . ! 成反比。极板 +! 与 0， - 成正比， 面积 0 的选取应满足出力和强度要求； 极板间距 . 受
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驱动电压 1 的限制 （见式 （ 8） ） ， 驱动电压 1 太大会给 使用带来不便； 该微位移机构中采用了 %& 倍率的杠杆 放大， 只要求驱动器的行程为 !& ’ 便能驱动工作 !
位移机构， 定位精度高， 无爬行， 结构简单， 使用方便。 与直接驱动方式相比， 使用杠杆放大不仅增加了机构 行程， 而且减小了驱动器的电容， 缩短了充放电时间， 提高了系统的响应速度。该机构可广泛用于微机电系 统和微机电制造系统的精密工作台。
［参考文献］ ［&］ 钟映春， 谭湘强， 杨宜民 " 泳动微机器人主体机构的设计研 究 " 机床与液压， （+） "##& ［"］ 温保松， 严鸿萍， 马佳华 " 铌酸镁的合成与铌镁酸铅基电致 伸缩陶瓷性能关系研究 " 无机材料学报， （&"） &--［)］ 薛实福， 李庆祥 " 精密仪器设计 " 北京： 清华大学出版社， &--& 收稿日期： "##" ( #) ( "& 作者简介： 张庆 （&-+, ( ） ， 男， 江苏南京人， 南京理工大学 机械工程学院讲师， 硕士。 （编辑 苏伯光）
支点。电致伸缩陶瓷驱动器 T 加上电压在 P 点产 生的微量位移， 经两级杠杆放大拉动平行四边形机构 使连杆 U 产生 ! 方向的位移。同理， 在连杆 U RS’0， 上也有一组杠杆平行四边形组合机构 7IC + ?D<4， 在驱 动器 " 驱动下， 使连杆 # 产生 $ 方向位移， 这样最终 实现了连杆 # 的二维移动。 %、 & 两个方向的杠杆倍率 ’$ 、 ’! 分别为： ()* (,・ ()+ (*(./ (12 ’! V ・ (.0 (/2 ’$ V （"） （!）
" 引言
微机电系统在尺度上可以是本身尺度很小的系 统， 如集成电路、 微传感器等， 也可以是高度集成的超 小型系统， 如微型遥控飞机、 机电液高度集成的化学分 析仪器等， 或本身尺寸不小， 但其作用对象很小的系 统， 如基因工程中的显微操作系统等。因此， 在微机电 系统以及微机电系统制造设备中， 要求工作台具有较 长的行程 （十几毫米至几十毫米） 和高的定位精度 （亚 微米甚至纳米级） 。对行程达几十毫米的工作台， 采用 滚珠丝杆驱动、 滚动导轨支承。要实现亚微米级的定 位， 必须对传动机构和支承导轨的加工装配提出极高 的要求， 为此可采用粗、 精两个工作台， 粗工作台完成 大位移， 而高精度定位由微位移工作台实现。其中微 位移工作台的微位移机构能否易于实现稳定的微位移 和准确的定位， 将直接影响微动工作台的精度、 使用和 经济性。本研究利用柔性铰链和杠杆放大原理， 设计 了一种电致伸缩驱动的二维微位移机构， 如图 " 所示； 行程可达 !## 配备双频激光干涉仪和控制电路组 H； ! 成的闭环控制系统， 其定位精度小于 O # ( H。 !
