压电陶瓷微纳运动机构优化方案

采用压电陶瓷驱动器的微纳运动精密工作台，通过柔性铰链传动实现微纳尺度级精密定位。在超精密加工中，与高转速和高切削速度相结合，要求微纳运动精密工作台每次很快地完成微纳量级进给。作为理想的精密微动工作台，压电陶瓷微纳运动机构应具备如下性能：

（1）具有高的位移分辨率，以保证高的定位精度和重复定位精度，同时还应满足工作行程要求；

（2）具有较高精度的同时，还应具有较高的精度稳定性；

（3）具有较高的固有频率，以确保微纳运动精密工作台有良好的动态特性和抗干扰能力，即最好采用直接驱动的方式，无传动环节；

（4）微动系统要便于控制，而且响应速度快。

由压电陶瓷驱动器构成的微纳运动工作台主要有如下几种类型。

1.压电陶瓷柔性铰链式微纳运动工作台

压电陶瓷柔性铰链式微纳运动工作台的工作原理为：利用压电陶瓷的压电效应，给压电陶瓷施加一定的电压，压电陶瓷驱动柔性铰链，微纳运动工作台在柔性铰链的驱动下输出一定的位移。

柔性铰链是20世纪60年代前后由于宇航和航空等技术发展的需要而发展起来的。它是一种切口结构，利用薄弱部分的弹性变形，可以实现有限角位移的绕轴转动。柔性铰链的特点是：无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高。柔性铰链有很多种结构，按照几何剖面的形状不同，可将柔性铰链分为直角型、椭圆型、圆角型、直圆型。

利用柔性铰链实现的弹性移动副有多种形式，最常见的是柔性平行四杆机构。在实际应用中，通过线切割或其他精密加工方法在一块基体材料上加工出圆弧和缝隙，使圆弧切口处形成弹性支点（即柔性铰链），并与基体加工后剩余部分成为一体，从而组成柔性平行四杆机构。柔性平行四杆机构具有导向精度高、无间隙、导轨定位分辨率高、加工精度易于保证、不需装配等优点。基于压电陶瓷的微纳运动工作台如图2-14所示。

图2-14　基于压电陶瓷的微纳运动工作台

2.压电陶瓷驱动尺蠖式微纳运动机构

陶瓷微位移器的材料归纳起来有4类：压电陶瓷材料、电致伸缩陶瓷材料、相变诱发应变陶瓷材料和单晶压电材料。陶瓷微位移器具有高频响应、输出力大、尺寸小、热膨胀系数小、精度高等优点，广泛应用于微米级和纳米级精度的精密驱动和定位领域中。但由于陶瓷材料的行程较小，因此需要将陶瓷微位移器与其他精巧结构相配合使用，用以实现大行程运动，这是目前国际上的主要研究方向。图2-15所示为韩国学者研制成功的基于压电陶瓷的线性尺蠖马达，可以实现100 mm行程范围内的纳米级进给运动，但由于尺蠖的运动间断性，该基于压电陶瓷的线性尺蠖马达无法实现连续运动。为了解决这个问题，日本学者EiJi Shamoto采用三组压电陶瓷交替变形的原理，研制了具有350 N/μm的轴向刚度、可实现105 mm行程范围内5 nm精度的连续平稳运动的行走式步进超精密马达，如图2-16所示。目前，基于压电陶瓷的微纳运动机构在纳米精度定位领域的研究受到极大的关注，基于各种先进的动力学和控制理论的压电马达不断涌现。然而，由于受到压电驱动器与支撑面之间的接触摩擦力的限制，几乎所有的压电马达的输出力都很小，因此压电马达只能应用在较轻载荷的场合。

图2-15　其于压电陶瓷的线性尺蠖马达

3.压电陶瓷驱动弹性冲击式微纳运动机构

如图2-17所示，弹性冲击式微纳运动机构主要由两部分组成，一部分是被驱动的滑动体M，另一部分是由压电陶瓷及安装在压电陶瓷上的弹簧所组成的驱动部件。压电陶瓷通过黏结的方法分别被安装在冲击体（击锤）m2和惯性体m1之间，压缩弹簧一端黏结在固定端，另一端和惯性体相连。其工作原理如图2-18所示。

图2-16　行走式步进超精密马达结构示意图(www.xing528.com)

图2-17　弹性冲击式微纳运动机构

运动开始时，弹簧长度被压缩一个固定值AW，压电陶瓷PZT保持自然状态；给压电陶瓷PZT施加脉冲电压，压电晶体出力增大，当冲击体与滑动体间的接触力大于最大静摩擦力时，压电晶体伸长，使滑动体产生微小位移x1；然后使压电陶瓷PZT缩短，当压电陶瓷PZT缩短到初始长度时，冲击体与滑动体间存在一个微小缝隙，此时弹簧产生冲击力，推动滑动体产生位移x2。压电陶瓷PZT依次伸长、缩短，在弹簧最初被压缩的范围AW内，系统可以获得连续运动，从而实现毫米级行程范围内的微纳运动。

图2-18　弹性冲击式微纳运动机构工作原理示意图

此类机构具有结构简单、易于控制等优点，但由于运动过程存在振荡，因此其不适合用于较高动态响应的场合。

4.压电陶瓷驱动惯性摩擦式微纳运动机构

基于惯性摩擦原理的压电陶瓷驱动微纳运动机构的工作原理如图2-19所示。

第1阶段，系统处于初始状态，压电陶瓷PZT保持自然长度；第2阶段，压电陶瓷PZT快速伸长，此时由于惯性力大于最大静摩擦力，滑块保持静止，不随压电陶瓷的伸长而滑移；第3阶段，压电陶瓷PZT缓慢收缩，此时惯性力小于最大静摩擦力，从而使滑块随压电陶瓷PZT收缩而向左运动一个微小位移x。重复上述控制过程，该进给系统可以产生较大行程的直线运动。

图2-19　基于惯性摩擦原理的压电陶瓷驱动微纳运动机构工作原理示意图

应用此原理，中国科学院光电技术研究所研制成功的LSPM型直线步进马达（见图2-20），行程可以达到15 mm，平均位移分辨率为15 nm，可产生60 N的驱动力。美国的New Focus公司研制的螺旋型压电驱动控制器也是应用此原理，可以在较大的行程上产生20 nm位移分辨率的进给运动。此类微纳运动机构具有结构简单、可自锁、负载输出能力大、易于控制等优点，但其由于运动的间断性，不易实现连续平稳的运动。

图2-20　LSPM型直线步进马达工作原理示意图

5.压电陶瓷驱动杠杆式微纳运动机构

压电陶瓷驱动杠杆式微纳运动机构是近年来发展起来的一种新型的微位移机构。如图2-21所示，它采用具有较高精度的压电陶瓷作为驱动源，通过杠杆机构放大输出位移，从而得到较大的工作行程。

该机构具有结构简单、易于控制、频响较高等优点，已经在航空、宇航、微电子工业、精密测量和微调，以及生物工程领域获得一定的应用。但该机构受杠杆刚度影响较大，并且铰链处存在摩擦、磨损等问题，这在一定程度上制约了这类进给机构的发展。

图2-21　压电陶瓷驱动杠杆式微纳运动机构结构简图

1—复位弹簧；2—杠杆；3—PZT；4—球支点；5—刀具