一种压电步进微动转台的研究*＊1

胡长德 符 鹏 闵和平 毛安定 邓小林

(①装备学院昌平士官学校，北京 102200;②西藏军区装备修理大队，西藏拉萨 850000)

人类希望能够认识纳米世界和改造纳米世界，实现这个目标的前提就是实现在纳米尺度下进行观测、操作，换句话说就是需要能在微尺度下观测和操作的工具。随着微纳米技术［1］的迅猛发展，许多领域越来越迫切需要微纳米定位系统，如生物细胞、聚合物的各种操作，微型机电系统的制造与检测，大规模集成电路的生产，超精密机械加工，微外科手术，扫描探针显微镜(SPM)系统，光纤对接，半导体制版的精密定位［2］等。微定位技术是现代制造技术的重要组成部分，也是21世纪的科技前沿——纳米技术中的关键技术［3］之一。压电陶瓷驱动器克服了以往机械式、液压式、气动式、电磁式等执行器惯性大、响应慢、结构复杂、可靠性差等不足，具有体积小、承载力大、分辨率高、无噪声，不发热等优点，作为一种理想的微位移驱动器件，被广泛应用于纳米精密定位系统和动态扫描系统中。

本文研制的压电步进微动转台，借助柔性机械结构，将压电陶瓷的微位移以角度方式输送出来。在结构设计方面，采用柔性铰链放大机构，夹紧器和驱动器均采用双驱动器结构，实现推—拉接力运动。配以适当的四路驱动信号，实现了压电驱动装置的单步、多步连续匀速转动。以独特的结构设计和新颖的电路控制系统，实现了大范围、微角度、连续运动，具有很好的应用前景。

1 压电微动转台原理

压电步进式微动转台(PZTT)为实现轴的匀速和连续回转运动，基于“尺蠖”原理，实现驱动器的交替“推—拉”［4］。如图1所示，这是步进微动转台的运动原理简图。PZTT由2个夹紧器C1、C2和2个促动器A1、A2组成。图1a为OFF放松状态;图1b时，C2夹紧、C1放松;图1c中A1、A2一同伸张，C2带动联动盘旋转。如此(b)、(c)、(d)、(e)状态反复交替，使固定在联动盘上的轴实现顺时针运动，将C1、C2顺序颠倒，轴将逆时针旋转。由于A1、A2位移速度相等，因此能保证轴连续匀速旋转。在A2伸张和A1收缩交替时重叠了一段，此时C1、C2同时夹紧，以防C1、C2松、紧交替时，轴会发生瞬时失速。

2 压电微动转台的结构设计

2.1 压电微动转台总体机械结构设计

压电微动转台的基本结构图和实物图如图2和3所示，整个装置呈圆柱状，机盖外圆直径106 mm，8块压电陶瓷微位移驱动器呈环形均匀分布在驱动器上，驱动器由4扇动体和4扇定体组成。每相对的两块为一组，分别决定顺时针和逆时针两个方向的转动。夹紧器紧固在驱动器的4扇动体上。当夹紧器上的压电晶体外加电压后，压电晶体产生形变，开始膨胀，在柔性铰链的放大作用下，夹紧头夹紧联动盘，这个时候给驱动器上的压电晶体加电压，这样压电晶体的位移将迫使动体转过一个微小角度。角度通过联动盘，轴承和轴输出来。

2.2 柔性铰链计算

柔性铰链有多种结构形式，本文采用常用简单的单轴双圆弧结构，如图4所示。因为单轴柔性铰链的主要变形发生在XY平面上，所以在计算时忽略了YZ平面和XZ平面内的变形［5］。其杠部的截面为矩形，铰链由两个垂直于端面且对称分布的半圆柱面切割而成。图中R为柔性铰链的切割半径，t为柔性铰链的最小厚度，b为柔性铰链的宽度。h为柔性铰链的高度，对于柔性铰链有:h=t+2R。柔性铰链的转动刚度是其最重要的性能参数，由于柔性铰链的尺寸与机构的尺寸相比较小，可以近似认为其两边所受的力矩相等［6］，且可忽略去柔性铰链圆弧以外的角位移［7］。

柔性铰链的一般设计方法很复杂。通过对微位移机构的柔性铰链进行分析，发现具有2个明显的特点:一是位移量(即柔性铰链的变形)小，一般是几十微米到几百微米;二是结构参数在一般情况下t≥R，由此推出简化设计方法。

在转角很小时，柔性铰链的转角θ公式［8］为

可求得不同的R、t值时柔性铰链转角刚度M/θ的值如表1。

表1 柔性铰链转角刚度 N·m/rad

2.3 夹紧器和驱动器的设计

2.3.1 夹紧器的设计

由于所选驱动夹紧器的压电陶瓷微位移驱动器最大形变10 μm，位移不够大，因此为满足夹紧的需要，夹紧器在机械结构中设计了放大机构。同时，为了减小夹紧的迟滞现象，拟采用杠杆原理与柔性铰链结合的结构。如图5所示，夹紧器为对称结构，以便减小夹紧力引起的对轴弯矩［9］，降低对微动台精度的影响，使微动台回转均匀，无迟滞现象，无机械摩擦。

取 a=6.5 mm，b=18.5 mm，那么放大倍数 k=b/a=18.5/6.5≈3。用Romberg数值积分对式(1)进行积分，夹紧器选取t=1 mm，R=1.5 mm，E钢=200 GPa，b=10 mm，(M/θ)c=0.619Eb，而所选择的重庆压电与声光研究所的压电晶体外加10 V电压后的最小推力通过计算其刚度＞3×0.619Eb，设计合理，满足要求。

2.3.2 驱动器的设计

驱动器的设计见图6所示，由4个动体和4个固定在本体上的定体组成，动体上固定着夹紧器。

动体由相对的2个压电晶体一起驱动，由于压电晶体驱动电源电压相同，同时它们各自参数相同，所以它们的形变以及对动体产生的力近似相等，F1=F2，近似为一对力偶［10］。这种直接驱动虽然对角度没有放大作用，但是可以减小干扰及由传动环节引入的误差。动体摆动仍然采用柔性铰链，设计方法参见夹紧器设计。这里的柔性铰链的结构尺寸如下:t=1.7 mm，R=1.75 mm。参见表1同理可得，设计合理，满足要求。

3 试验分析

所用实验装置包括:TJU2000型CCD高精度光电自跟踪光电自准直仪，压电微动转台控制器，压电驱动电源，压电微动转台，平面反射镜。具体连接关系如图7所示。

CCD光电自准直仪是一种高精度自动测角仪器，它可以对反射角镜的微小角位移或把变动转化成微小角位移的目标进行高精度测量［11］。仪器采用线阵CCD以象素扫描方式对自准直回像进行测量并用单片机进行实时的数据处理，及时给出被测目标相对于仪器光轴的双坐标角位移，因此可以实现动态角度测试。

表2 160 V压下不同频率按步行进输出的角位移

表3 80 V电压下不同频率按步行进输出的角位移

(1)固定电压时回转角位移随频率变化情况。

实验目的:测试压电微动转台在固定电压情况下，运动位移随频率变化情况

实验过程:每次设置相同电压，不同频率，间隔5 Hz测试1次。频率范围:1～40 Hz，测得在160 V、80 V下两组数据见表2、表3。

由表2、3中的数据可以看出，在固定电压下，角位移随频率提高而呈减小趋势，这是由于压电材料的充放电与频率有关，当频率提高时压电陶瓷充放电不完全所造成的。

(2)固定频率时回转角位移随电压变化情况

表4 5 Hz条件下，不同电压按步行进的角位移

实验目的:测试压电步进微动转台在固定频率情况下，回转角度随电压变化情况。测得数据见表4。

(3)速度测试

实验目的:测试压电步进微动转台运行速度。

实验环境:实验室17楼101，室温。

实验过程:施加不同电压(160 V、80 V)，在不同频率(1～40 Hz)下，测试微动转台的运行速度。数据见表5、表 6。

从表5、6可以看出，施加的电压越高，频率越高，微动台的运行速度越快。在频率为40 Hz、幅值为160 V的驱动电压下速度达到430.4″/s。

(4)最小步距

实验目的:测试压电步进微动转台运行的最小步距。

实验环境:实验室17楼101，室温。

实验过程:施加30 V、5 Hz电压，每行进10步测1次角位移量，测试微动台的最小步距。数据见表7。

表5 160 V电压下不同频率运行速度比较

表6 80 V电压下不同频率运行速度比较

表7 30 V、5 Hz下每行进10步位移

表8 重复性实验数据

经测试，在施加20 V以下电压时，微动台运行不稳定，无法分辨角位移，有回退现象，因此，我们取数据相对稳定的30 V、5 Hz电压下测得的角位移量作为最小步距。测得每10步位移平均值为22.63″，则单步步距为2.26″，达到设计要求。

(5)重复性实验

实验目的:测试压电步进微动转台运行的稳定性。

实验环境:实验室17楼101，室温。

实验过程:60 V、5 Hz电压下每行进5步测1次，共测15次，进行重复性试验分析。测得数据见表8。

4 结语

纳米科技是前沿科技，是一门实践性和理论性结合的很强的学科，传感器的实用性也需要通过实验来进行验证并进行多次的改进。本课题研发的压电步进微动转台，将压电晶体微驱动器的微位移以角度方式输送出来。并对样机行了实验测试，理论分析结果与试验测试结果基本相符。实验结果表明，在频率为5 Hz、幅值为30 V驱动电压下测得最小步距小于3″，在频率为40 Hz幅值为160 V的驱动电压下速度达到430.4″/s。同时，动体没有缠绕，使得驱动器可以在任意位置启动，并可连续旋转在精密工程的有关领域具有较好的应用前景。

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