一種壓電步進微動轉臺的研究*＊1

胡長德 符 鵬 閔和平 毛安定 鄧小林

(①裝備學院昌平士官學校，北京 102200;②西藏軍區裝備修理大隊，西藏拉薩 850000)

人類希望能夠認識納米世界和改造納米世界，實現這個目標的前提就是實現在納米尺度下進行觀測、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［1］的迅猛發展，許多領域越來越迫切需要微納米定位系統，如生物細胞、聚合物的各種操作，微型機電系統的制造與檢測，大規模集成電路的生產，超精密機械加工，微外科手術，掃描探針顯微鏡(SPM)系統，光纖對接，半導體制版的精密定位［2］等。微定位技術是現代制造技術的重要組成部分，也是21世紀的科技前沿——納米技術中的關鍵技術［3］之一。壓電陶瓷驅動器克服了以往機械式、液壓式、氣動式、電磁式等執行器慣性大、響應慢、結構復雜、可靠性差等不足，具有體積小、承載力大、分辨率高、無噪聲，不發熱等優點，作為一種理想的微位移驅動器件，被廣泛應用于納米精密定位系統和動態掃描系統中。

本文研制的壓電步進微動轉臺，借助柔性機械結構，將壓電陶瓷的微位移以角度方式輸送出來。在結構設計方面，采用柔性鉸鏈放大機構，夾緊器和驅動器均采用雙驅動器結構，實現推—拉接力運動。配以適當的四路驅動信號，實現了壓電驅動裝置的單步、多步連續勻速轉動。以獨特的結構設計和新穎的電路控制系統，實現了大范圍、微角度、連續運動，具有很好的應用前景。

1 壓電微動轉臺原理

壓電步進式微動轉臺(PZTT)為實現軸的勻速和連續回轉運動，基于“尺蠖”原理，實現驅動器的交替“推—拉”［4］。如圖1所示，這是步進微動轉臺的運動原理簡圖。PZTT由2個夾緊器C1、C2和2個促動器A1、A2組成。圖1a為OFF放松狀態;圖1b時，C2夾緊、C1放松;圖1c中A1、A2一同伸張，C2帶動聯動盤旋轉。如此(b)、(c)、(d)、(e)狀態反復交替，使固定在聯動盤上的軸實現順時針運動，將C1、C2順序顛倒，軸將逆時針旋轉。由于A1、A2位移速度相等，因此能保證軸連續勻速旋轉。在A2伸張和A1收縮交替時重疊了一段，此時C1、C2同時夾緊，以防C1、C2松、緊交替時，軸會發生瞬時失速。

2 壓電微動轉臺的結構設計

2.1 壓電微動轉臺總體機械結構設計

壓電微動轉臺的基本結構圖和實物圖如圖2和3所示，整個裝置呈圓柱狀，機蓋外圓直徑106 mm，8塊壓電陶瓷微位移驅動器呈環形均勻分布在驅動器上，驅動器由4扇動體和4扇定體組成。每相對的兩塊為一組，分別決定順時針和逆時針兩個方向的轉動。夾緊器緊固在驅動器的4扇動體上。當夾緊器上的壓電晶體外加電壓后，壓電晶體產生形變，開始膨脹，在柔性鉸鏈的放大作用下，夾緊頭夾緊聯動盤，這個時候給驅動器上的壓電晶體加電壓，這樣壓電晶體的位移將迫使動體轉過一個微小角度。角度通過聯動盤，軸承和軸輸出來。

2.2 柔性鉸鏈計算

柔性鉸鏈有多種結構形式，本文采用常用簡單的單軸雙圓弧結構，如圖4所示。因為單軸柔性鉸鏈的主要變形發生在XY平面上，所以在計算時忽略了YZ平面和XZ平面內的變形［5］。其杠部的截面為矩形，鉸鏈由兩個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。柔性鉸鏈的轉動剛度是其最重要的性能參數，由于柔性鉸鏈的尺寸與機構的尺寸相比較小，可以近似認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］。

柔性鉸鏈的一般設計方法很復雜。通過對微位移機構的柔性鉸鏈進行分析，發現具有2個明顯的特點: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;二是結構參數在一般情況下t≥R，由此推出簡化設計方法。

在轉角很小時，柔性鉸鏈的轉角θ公式［8］為

可求得不同的R、t值時柔性鉸鏈轉角剛度M/θ的值如表1。

表1 柔性鉸鏈轉角剛度 N·m/rad

2.3 夾緊器和驅動器的設計

2.3.1 夾緊器的設計

由于所選驅動夾緊器的壓電陶瓷微位移驅動器最大形變10 μm，位移不夠大，因此為滿足夾緊的需要，夾緊器在機械結構中設計了放大機構。同時，為了減小夾緊的遲滯現象，擬采用杠桿原理與柔性鉸鏈結合的結構。如圖5所示，夾緊器為對稱結構，以便減小夾緊力引起的對軸彎矩［9］，降低對微動臺精度的影響，使微動臺回轉均勻，無遲滯現象，無機械摩擦。

取 a=6.5 mm，b=18.5 mm，那么放大倍數 k=b/a=18.5/6.5≈3。用Romberg數值積分對式(1)進行積分，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算其剛度＞3×0.619Eb，設計合理，滿足要求。

2.3.2 驅動器的設計

驅動器的設計見圖6所示，由4個動體和4個固定在本體上的定體組成，動體上固定著夾緊器。

動體由相對的2個壓電晶體一起驅動，由于壓電晶體驅動電源電壓相同，同時它們各自參數相同，所以它們的形變以及對動體產生的力近似相等，F1=F2，近似為一對力偶［10］。這種直接驅動雖然對角度沒有放大作用，但是可以減小干擾及由傳動環節引入的誤差。動體擺動仍然采用柔性鉸鏈，設計方法參見夾緊器設計。這里的柔性鉸鏈的結構尺寸如下:t=1.7 mm，R=1.75 mm。參見表1同理可得，設計合理，滿足要求。

3 試驗分析

所用實驗裝置包括:TJU2000型CCD高精度光電自跟蹤光電自準直儀，壓電微動轉臺控制器，壓電驅動電源，壓電微動轉臺，平面反射鏡。具體連接關系如圖7所示。

CCD光電自準直儀是一種高精度自動測角儀器，它可以對反射角鏡的微小角位移或把變動轉化成微小角位移的目標進行高精度測量［11］。儀器采用線陣CCD以象素掃描方式對自準直回像進行測量并用單片機進行實時的數據處理，及時給出被測目標相對于儀器光軸的雙坐標角位移，因此可以實現動態角度測試。

表2 160 V壓下不同頻率按步行進輸出的角位移

表3 80 V電壓下不同頻率按步行進輸出的角位移

(1)固定電壓時回轉角位移隨頻率變化情況。

實驗目的:測試壓電微動轉臺在固定電壓情況下，運動位移隨頻率變化情況

實驗過程:每次設置相同電壓，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下兩組數據見表2、表3。

由表2、3中的數據可以看出，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，當頻率提高時壓電陶瓷充放電不完全所造成的。

(2)固定頻率時回轉角位移隨電壓變化情況

表4 5 Hz條件下，不同電壓按步行進的角位移

實驗目的:測試壓電步進微動轉臺在固定頻率情況下，回轉角度隨電壓變化情況。測得數據見表4。

(3)速度測試

實驗目的:測試壓電步進微動轉臺運行速度。

實驗環境:實驗室17樓101，室溫。

實驗過程:施加不同電壓(160 V、80 V)，在不同頻率(1～40 Hz)下，測試微動轉臺的運行速度。數據見表5、表 6。

從表5、6可以看出，施加的電壓越高，頻率越高，微動臺的運行速度越快。在頻率為40 Hz、幅值為160 V的驅動電壓下速度達到430.4″/s。

(4)最小步距

實驗目的:測試壓電步進微動轉臺運行的最小步距。

實驗環境:實驗室17樓101，室溫。

實驗過程:施加30 V、5 Hz電壓，每行進10步測1次角位移量，測試微動臺的最小步距。數據見表7。

表5 160 V電壓下不同頻率運行速度比較

表6 80 V電壓下不同頻率運行速度比較

表7 30 V、5 Hz下每行進10步位移

表8 重復性實驗數據

經測試，在施加20 V以下電壓時，微動臺運行不穩定，無法分辨角位移，有回退現象，因此，我們取數據相對穩定的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″，達到設計要求。

(5)重復性實驗

實驗目的:測試壓電步進微動轉臺運行的穩定性。

實驗環境:實驗室17樓101，室溫。

實驗過程:60 V、5 Hz電壓下每行進5步測1次，共測15次，進行重復性試驗分析。測得數據見表8。

4 結語

納米科技是前沿科技，是一門實踐性和理論性結合的很強的學科，傳感器的實用性也需要通過實驗來進行驗證并進行多次的改進。本課題研發的壓電步進微動轉臺，將壓電晶體微驅動器的微位移以角度方式輸送出來。并對樣機行了實驗測試，理論分析結果與試驗測試結果基本相符。實驗結果表明，在頻率為5 Hz、幅值為30 V驅動電壓下測得最小步距小于3″，在頻率為40 Hz幅值為160 V的驅動電壓下速度達到430.4″/s。同時，動體沒有纏繞，使得驅動器可以在任意位置啟動，并可連續旋轉在精密工程的有關領域具有較好的應用前景。

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