壓電式精密微位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

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1、文獻(xiàn)綜述壓電式精密微位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)1前言部分精密微驅(qū)動(dòng)技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的重要組成部分，也是21世紀(jì)的科技前沿（納米技術(shù)）中的關(guān)鍵技術(shù)之一。微位移技術(shù)不僅在實(shí)現(xiàn)微小位移和力的傳遞上提出了高分辨率的要求，而且在尺寸及體積也提出了微型化要求，主要用于實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償、精密調(diào)整和實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給，以保證工件的加工精度和表面質(zhì)量[1]。它的發(fā)展是其它尖端技術(shù)的基礎(chǔ),美國(guó)、日本、英國(guó)等國(guó)家均將它列入國(guó)家發(fā)展計(jì)劃進(jìn)行重點(diǎn)研究。高精度微動(dòng)工作臺(tái)系統(tǒng)是現(xiàn)代許多學(xué)科和高科技賴以發(fā)展的基礎(chǔ)，是精密微驅(qū)動(dòng)技術(shù)中一項(xiàng)重要內(nèi)容，在現(xiàn)代

2、航空航天、光纖對(duì)接、掃描隧道顯微鏡（STM）、機(jī)器人、細(xì)胞操作、集成電路制造、微電子工程、納米技術(shù)等得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)精密機(jī)械和精密儀器的精度及靈敏度要求越來(lái)越高[2]。壓電式精密微位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)是在壓電、電致伸縮微位移器的驅(qū)動(dòng)下，以柔性鉸鏈為彈性導(dǎo)軌，具有結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)運(yùn)動(dòng)副間隙、易于控制等特點(diǎn)的一種理想微位移機(jī)構(gòu)[34]。微位移機(jī)構(gòu)的主要應(yīng)用范圍包括：精密與超精密加工、測(cè)量、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、生命科學(xué)、半導(dǎo)體加工等應(yīng)用。在精密和超精密加工和測(cè)量，大規(guī)模集成電路制造，掃描隧道顯微鏡測(cè)量以及

3、精密光學(xué)工程等諸多尖端科技領(lǐng)域中，當(dāng)運(yùn)動(dòng)分辨率達(dá)到亞微米或納米級(jí)時(shí)，壓電式微位移機(jī)構(gòu)在微進(jìn)給定位上體現(xiàn)出了自身的優(yōu)勢(shì)。2主題部分壓電陶瓷材料響應(yīng)快、頻帶寬，致動(dòng)力也比較大，成為目前壓電式高精度微動(dòng)工作臺(tái)研究領(lǐng)域中最為關(guān)注的一種。壓電陶瓷，一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。這是一種具有壓電效應(yīng)的材料。所謂壓電效應(yīng)是指某些介質(zhì)在力的作用下，產(chǎn)生形變，引起介質(zhì)表面帶電，這是正壓電效應(yīng)。反之，施加激勵(lì)電場(chǎng)，介質(zhì)將產(chǎn)生機(jī)械變形，稱逆壓電效應(yīng)[5]。這種奇妙的效應(yīng)已經(jīng)被科學(xué)家應(yīng)用在與人們生活密切相關(guān)的許多領(lǐng)

4、域，以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、傳感、驅(qū)動(dòng)、頻率控制等功能。柔性鉸鏈依靠柔性元素的變形傳輸運(yùn)動(dòng)和力，目前在精密機(jī)械、光電子元器件制造以及生物工程等眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用日漸廣泛。柔性鉸鏈的特點(diǎn)：用于繞軸作復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的有限角位移，無(wú)機(jī)械摩擦，無(wú)間隙，運(yùn)動(dòng)靈敏度高。我們用柔性鉸鏈制作的微位移機(jī)構(gòu)，具有很高的位移分辨率、定位精度和重復(fù)精度，工作穩(wěn)定、無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)間隙、無(wú)爬行和體積小等特點(diǎn)[6]。在高精密微位移進(jìn)給機(jī)構(gòu)的研究領(lǐng)域中，德國(guó)、美國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家走到了世界前列，研制出了納米級(jí)，行程為微米級(jí)，從幾十個(gè)微米到幾百個(gè)微米的使用產(chǎn)

5、品[7]。隨著電致、磁致、壓電以及靜電等微動(dòng)執(zhí)行原件的出現(xiàn)和發(fā)展，微進(jìn)給技術(shù)的發(fā)展得到了極大的推動(dòng)。目前常見(jiàn)的微進(jìn)給機(jī)構(gòu)一般是利用彈性變形、機(jī)械傳動(dòng)、電磁力以及智能資料（磁致伸縮、電致伸縮）等實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給。常見(jiàn)的主要形式用：（1）壓電驅(qū)動(dòng)微進(jìn)給機(jī)構(gòu)；（2）磁致伸縮微進(jìn)給機(jī)構(gòu)；（3）彈性式微進(jìn)給機(jī)構(gòu)（4）電磁鐵驅(qū)動(dòng)微進(jìn)給機(jī)構(gòu)[8]；（5）直線電機(jī)微進(jìn)給機(jī)構(gòu)；（6）電熱式微進(jìn)給機(jī)構(gòu)。美國(guó)Cranfield公司研制出了用于大型立式超精密機(jī)床的壓電陶瓷微進(jìn)給機(jī)構(gòu)。把壓電陶瓷的后端支撐在裝置的本體上，通過(guò)螺釘進(jìn)行預(yù)緊加

6、力。當(dāng)壓電陶瓷在電壓的作用下伸長(zhǎng)時(shí)，可以推動(dòng)帶刀具的位移部分向前移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給。美國(guó)Cranfield公司的OAGM2500大型立式超精密機(jī)床采用了該微進(jìn)給裝置。美國(guó)Burleigh公司研制出了，運(yùn)動(dòng)行程范圍為6mm～220mm，位移分辨率達(dá)1nm～4nm，最大進(jìn)給速度是15mm/s的蠕動(dòng)式直線馬達(dá)，但是它的承載能力較小。主要用于掃描隧道顯微鏡、X射線光刻、半導(dǎo)體集成電路檢查裝置以及原子力顯微鏡等的驅(qū)動(dòng)裝置。日本網(wǎng)崎佑—研制的一種微進(jìn)給機(jī)構(gòu)。壓電陶瓷后側(cè)作為固定支撐，刀架體上有4個(gè)圓孔和臺(tái)體外側(cè)面形成

7、薄壁變形原件，用三條縫開(kāi)通圓孔之間，讓臺(tái)體和前面裝車刀部分能做彈性變形。壓電陶瓷在電壓的作用下伸長(zhǎng)時(shí)，可以推動(dòng)前面裝刀架部分向前移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)微位移。日本的DENSO研制了利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)的管內(nèi)探傷檢測(cè)機(jī)器人，可以用于細(xì)小工業(yè)管道的自動(dòng)檢測(cè)工作。從80年代中期，我國(guó)一些研究所和高校也開(kāi)始了此領(lǐng)域的研究。國(guó)家“863”高技術(shù)計(jì)劃把微型、微動(dòng)機(jī)器人以及微定位器的開(kāi)發(fā)列入了第12主題“智能機(jī)器人”[9]中。清華大學(xué)壓制的電致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)自由度的微動(dòng)工作臺(tái)，采用了柔性鉸鏈，可以簡(jiǎn)化為分別進(jìn)行X軸、Y軸

8、方向運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)平行四連桿機(jī)構(gòu)。但是，由于壓電陶瓷本身存在遲滯、蠕變、非線性等特性，在實(shí)際應(yīng)用中，這些特性嚴(yán)重影響它的位移精度；因此，為了減少非線性等特性的影響，必須對(duì)其進(jìn)行合理建模，實(shí)現(xiàn)有效的控制，提高它的輸出位移精度。最簡(jiǎn)單的建模方法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)對(duì)壓電陶瓷遲滯曲線用直線、二次多項(xiàng)式等進(jìn)行擬合[10]，但這些方法，誤差較大。因此，各國(guó)研究人員根據(jù)不同的應(yīng)用背景,在深入分析壓電陶瓷非線性遲滯特性成因的基礎(chǔ)上,