大行程X-Y二维微动工作台的设计与减耦

王祯妍

摘要：設计了一种新型大行程X-Y二维微动工作台并完成减耦。该工作台采用压电驱动器提供微位移，串联构型与柔性铰链、杠杆机构配合，实现二维大行程位移输出。利用有限元仿真调节传动铰链的位置，结合双平行四杆柔性移动副实现X和Y方向的运动解耦。仿真结果表明，该微动台的工作行程为370 μm×400 μm， X与Y向的耦合误差均小于1%。该微动台具有运动行程大、耦合误差小等优点，可与宏动机构配合用于大行程二维宏微定位等场合。

关键词：大行程微动工作台;双平行四杆机构;运动解耦;有限元分析

1 前言

当前，超精密加工技术在精密仪器仪表[1-2]、生物医学工程[3]、集成电子[4-5]、先进制造业等领域具有广泛应用。微纳米定位技术及系统作为超精密加工的重要研究内容之一，在微纳米坐标测量机[6]、原子力显微镜和衍射光栅刻划机等仪器设备中取得了极大的进展，开发大行程高精度的微定位系统已成为相关领域科研人员研究的热点。

国内外对一维、二维微动工作台已进行了大量研究工作，但行程较小，在某些需要大行程微动台的场合应用受限。因此，以压电陶瓷为微位移器件，通过柔性铰链、杠杆、双平行四杆机构配合，设计了一种新型大行程X-Y二维微动工作台，借助有限元分析，减小了不同方向运动间的耦合。

2 二维微动工作台的设计

初步设计的X-Y二维微动工作台结构示意图如图1所示。由压电陶瓷驱动，采用柔性铰链传动和杠杆放大，实现大行程位移输出。设计串联构型，结构紧凑，但存在不可避免的耦合误差，因此采用双平行四杆机构，有效减小工作台的耦合。

3 Y向运动中消除耦合的研究

3.1串联构型存在角位移和线位移耦合

对初步设计的工作台进行Y向运动的有限元仿真，得到工作台平行于X轴的端面由1到2各点处Y向位移均不相同，即存在角位移耦合，如图2所示。同时发现工作台Y向运动时的X向位移不为零，即存在线位移耦合。耦合运动可导致工作台输出位移的精度大大降低。

3.2角位移和线位移耦合的原因及消除方法

将耦合可能的原因归为：一是整体工作台是非对称结构，二是杠杆的弯曲形变导致传递位移存在X向分量。通过改变N铰链的位置消除结构不对称所产生的耦合，通过增加杠杆刚度消除杠杆弯曲形变所产生的耦合。目前工作台的Y向杠杆已达到最小弯曲，下面主要通过改变N铰链位置进行耦合误差的消除。从大量的模拟分析中发现，N铰链在不同位置时工作台角位移和线位移耦合正负方向均发生了改变，推测存在两个N铰链的位置，分别使工作台Y向运动的角位移和线位移耦合为零。

如图3所示建立N铰链移动位置的一维X坐标系，得到几个N铰链位置坐标与相应的角位移耦合绘制如图4所示折线图。根据图4中角位移为0时横坐标的取值估算N铰链此时的位置坐标在39000 μm附近，得到如表1所示结果。

考虑加工方便，取N铰链位置坐标为40000 μm，X-Y二维微动工作台Y向运动时的角位移耦合最小。采用同样的方法确定线位移耦合最小时的N铰链位置，并利用有限元仿真，在两个位置之间寻找Y向整体位移耦合最小的位置，如图5所示，其运动参数如表2所示。

4二维X-Y微动台模型及仿真结果

将Y向N铰链由单轴改为双轴，减小杠杆弯曲。并将X向结构参照Y向结构进行优化，得到最终X-Y二维微动工作台结构如图6所示。为更直观的表达二维工作台中的角位移耦合，将角位移耦合的参数由位移量换算为角度。工作台总体参数如表3所示。

5 结论

设计了一种压电陶瓷驱动的新型X-Y二维微动工作台，采用柔性铰链与杠杆放大实现二维大行程位移输出。利用有限元仿真寻找传动铰链最佳位置，结合双平行四杆柔性移动副实现X和Y方向的运动解耦。仿真结果表明，该微动工作台的工作行程为370 μm×400 μm，X与Y向的耦合误差均小于1%。该工作台结构紧凑、运动行程大、耦合误差小，对纳米科技、半导体、精密机械加工及测量等领域均有参考价值。

6 参考文献

[1]Nicolas Bonnail， Didier Tonneau， Franck Jandard， Gérard-André Capolino and Hervé Dallaporta. Variable Structure Control of a Piezoelectric Actuator for a Scanning Tunneling Microscope[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 51（2）， 354–363.

[2]Yongkai Xu and Peter H. Meckl. Robust Time-Optimal Command Shaping for Velocity Tracking of Piezoelectric Actuators[J]. Proceedings， 2005 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics.

[3]S. Thalhammer， G. Lahr， A. Clement-Sengewald， W. M. Heckl， R. Burgemeister and K. Schütze. Laser microtools in cell biology and molecular medicine[J]. Laser Physics， Vol. 13， No. 5， 2003， pp. 681.

[4]M. Puig-Vidal， J. López-Sánchez， P. Miribel-Català， E. Montané， S.A. Bota， J. Samitier，U. Simu and S. Johansson. Smart Power Integrated Circuits to Drive Piezoelectric Actuators for a cm3  Microrobot System[J]. Proceedings of SPIE Vol. 4334 （2001）.

[5]Spanner， K.， Marth， H. and Gutheil， W. Piezoelectric Translators with Submicron Accuracy[J]. SPIE Vol. 565 Micron and Submicron Integrated Circuit Metrology （1985）.

[6]K C Fan， Y T Fei， X F Yu， Y J Chen， W L Wang， F Chen and Y S Liu. Development of a low-cost micro-CMM for 3D micro/nano measurements. Meas. Sci. Technol. 17 （2006） 524–532.