大位移并联平面三自由度微定位平台设计*

韩 慧，刘 丽

(1.湖北文理学院,湖北 襄阳 441053；2.电子科技大学,四川 成都 610054)

0 引 言

微电子工业作为一个多元化行业,在过去的几十年里得到了快速的发展。微操作作为微电子工业的一项关键技术[1],在微/纳米技术[2]、精密加工[3]、生物工程[4]、医疗科学[5]等领域引起了人们的广泛关注。

从研究现状来看,微定位平台的关键问题包括选取驱动方式、扩大运动行程、提高固有频率。目前,微定位平台常用的驱动方式有压电驱动[6]、静电驱动[7]、热驱动[8]、形状记忆合金驱动[9]、气动[10]等。相比于其他驱动方式,压电驱动具有反应速度快、灵敏度高、输出力大的优点[11]；微定位平台增加位移放大倍率主要通过位移放大机构来完成。常用的放大机构有杠杆放大机构、桥式放大机构和菱形放大机构。杠杆放大机构结构简单,易于实现,但放大倍数受空间大小限制。基于三角形放大原理的桥式放大机构具有放大倍率高且可以实现正交位移放大。基于压电驱动的桥式放大机构将压电陶瓷置于放大机构内部,可以使结构更加紧凑。为提高微定位平台的固有频率,平面三自由度微定位平台采用轴对称结构,有效提高了结构的刚度,进而提高了结构的固有频率。该平面三自由度微定位平台的的三个自由度主要包括X方向和Y方向的水平运动,以及压电陶瓷并联驱动时绕θz轴方向的旋转运动。Scire F E等人[12]成功设计了一种单自由度压电驱动的微定位平台,主要应用于电子显微镜中,为扩大运动行程,采用二级放大机构,运动行程可达50 μm。南洋理工大学的Gao P等人[13]研发了一种二自由度压电驱动的微定位平台,采用二级放大机构,实现了45 μm×40 μm的工作空间。Li Y等人[14]制作了一种三自由度压电驱动的微定位平台,运动行程可达 117 μm×117 μm,进一步提高了运动行程。综上所述,关于微定位平台的研究已经取得了丰硕的成果,但不难发现提高压电驱动的微定位平台的运动行程是必要的。

本文基于三角形放大原理设计的平面三自由度微定位平台,有效提高了载物台的运动行程。设计的压电驱动平面三自由度微定位平台运动行程为185.8 μm×185.8 μm,具有高大行程、高刚度、结构紧凑的特点。

1 平面三自由度微定位平台设计

平面三自由度微定位平台的三个自由度分别为X方向和Y方向的水平运动,以及压电陶瓷并联驱动时绕θz轴方向的旋转运动。该平台主要由3个桥式放大机构、3个固定孔、一个载物台组成。

3个桥式放大机构内部安装3块压电陶瓷,3块压电陶瓷间采用并联方式连接,在压电陶瓷的驱动下,桥式放大机构侧边产生的位移分别为x1,x2,x3。当桥式放大机构侧边产生的位移分别为x1,x2,x3相同时,可以单独启动3块压电陶瓷其中的1块或者同时启动3块压电陶瓷其中的2块。此时,可以产生二自由度的水平方向运动。当桥式放大机构侧边产生的位移分别为x1,x2,x3不同时,载物台会因桥式放大机构输出位移的不同发生旋转,即绕θz轴方向的旋转运动。

图1 平面微定位平台结构

基于伪刚体模型思想,将柔性铰链视为带扭簧的活动铰链,将连杆视为刚性杆件。取桥式放大机构的一条边进行分析,如图2所示。

图2 桥式放大机构单边分析

当压电陶瓷在水平方向产生的输入位移为Δx时,在竖直方向产生的输出位移为Δy,杆件位置由AB变为A′B′,杆件AB,A′B′,的角位置分别为α,β,设放大倍数为Ramp1,可得

Ramp1=Δy/Δx

(1)

其中

Δy=lsinα-lsinβ

(2)

Δx=lcosβ-lcosα

(3)

由式(1)、式(2)和式(3)可得

(4)

由于压电陶瓷的变化量通常为自身尺寸的0.01%,桥式放大机构的四条边的角度变形量十分微小,因此,式(4)可简化为

Ramp1=cotα

(5)

当同时启动3块压电陶瓷其中的2块,设放大倍数为Ramp2,可得

(6)

2 基于ANSYS软件的有限元仿真分析

设计参数如下平面三自由度微定位平台选用的材料为7075铝合金,其弹性模量E=71 GPa,泊松比v= 0.33,屈服强度σ=455 MPa,密度ρ=2 810 kg/m3。

在桥式放大机构的输入端施加30 μm的输入位移。图3(a)为平面三自由度微定位平台在单块压电陶瓷驱动下,微定位平台对应的应力云图,载物台的运动行程为155.2 μm,对应的最大应力如图3(b)所示,为97.6 MPa,小于材料的屈服强度,产品可以安全使用。

图3 单块压电陶瓷驱动下有限元性能分析

图4(a)为平面三自由度微定位平台在两块压电陶瓷驱动下,微定位平台对应的应力云图,载物台的运动行程为185.8 μm,对应的最大应力如图4(b)所示,为227.8 MPa,小于材料的屈服强度,产品可以安全使用。

图4 两块压电陶瓷驱动下有限元性能分析

在ANSYS软件中定义完材料属性后,对平面微定位平台进行正六面体法网格划分,网格划分后,对微定位平台固定孔施加约束,并对微定位平台进行模态分析。取微定位平台前4阶模态图,如图5所示。1 012.5 Hz下的第1阶模态是由单个桥式放大机构弯曲变形引起的,1 048.9 Hz下的第2阶模态是由两个桥式放大机构输入端施加不同的输入位移引起的,1 324.5Hz下的第3阶模态是由载物台向Z轴方向运动引起的,1 050.4 Hz下的第4阶模态是由3个桥式放大机构绕Z轴旋转引起的。其中第1阶模态和第2阶模态为机构运动所需要的振型。从而可以得出,单块压电陶瓷驱动下的微定位平台的固有频率为1 012.5 Hz。

图5 微夹钳前4阶模态

3 结 论

本文以扩大运动行程为出发点,设计一种大行程、高刚度、结构紧凑的平面三自由度微定位平台。平台的驱动方式采用压电驱动,基于几何关系得出微定位平台的运动行程,通过有限元仿真分析得出单块、两块压电陶瓷驱动下微定位平台性能,采用模态分析得出平台的固有频率。本文设计的平面三自由度微定位平台为同类产品的研究提供借鉴。