所属栏目：应用电子技术论文发表 发布时间：2011-02-25浏览量:109
摘 要：本文主要介绍了精密定位技术的应用范围，精密定位技术的研究概况和精密定位平台系统的主要特点
关键字：精密定位 压电陶瓷
随着科技的发展，精密定位技术需求越来越多，而且应用的范围也越来越广，对精密定位技术的要求也越来越高。精密定位技术在高科技发展中成为不可缺少的一个部分，它在超精密加工、精密机械、半导体器件制造、电子产品组装线、生物工程及纳米技术等领域具有广泛的应用。
精密定位平台是利用高精度的驱动器驱动移动的平台，通过特殊支撑结构的传递，使平台依照其所导引的方向运动，以达到我们所要求的直行或旋转动作。在半导体光刻、微型机械、精密测量、超精密加工、微型装配、生物细胞操纵和纳米技术等领域，需要高性能的超精密定位工作台作为技术支持。例如,，在生物、医学工程的研究中，需要对细胞进行搬动、分离、组合，对DNA分子进行拉伸并固定到隔膜上，对蛋白质分子进行操作和生成薄膜结构，以及脑外科手术等等。这些都需要采用高精度的能作快速运动的微位移工作台。随着集成电路集成度的提高,线宽已达亚微米级,因此在制造过程中对其定位精度有着苛刻的限制。在机械加工非圆球面时,为了得到精确的形状和高质量的表面,对加工过程中刀具相对工件的运动精度提出了严格的要求。已有的MEMS(micro electro mechanical system)加工工艺适宜制造二维或准三维的微型机械结构。想要得到复杂的微型三维结构,目前较可行的方法是将由MEMS加工工艺制造的微型结构通过一定的方式装配起来,该技术被称为微装配技术。要实现微装配,需要结构小巧,在平面内有较大行程的超精密载物工作台。为了加大扫描隧道显微镜(STM)的测量范围,需要高精度的工作台与测头一起实现较大范围的超精密定位。
精密定位的驱动
“旋转电机+ 滚珠丝杠”是传统的精密驱动方式，经过预紧可以消除轴向移动产生的间隙，性价比高，动静刚度高，传动精度好，控制技术成熟。然而此种定位方式由于螺纹空程和传动摩擦的存在，其定位精度一般只能达到微米级。
实现亚微米甚至纳米级的定位,常规的驱动和传动方式不再适合，因此,需要特殊的驱动和传动方式，以使工作台具有亚微米或纳米级的位移分辨率。利用压电元件作为驱动装置，柔性铰链机构作为传动装置构成超精密定位系统是经常采纳的超精密定位方案。
压电效应的概念最先来源于压电晶体，当此类电介质晶体外加机械载荷时，晶体内部的正负电荷中心发生相对位移而产生极化，导致晶体两端出现符号相反的束缚电荷。反之，如将具有压电效应的电介质晶体置于电场中，由于电场的作用而引起电介质晶体内部正负电荷中心产生相对位移，致使压电晶体发生形变，晶体的这种现象称为逆压电效应。
压电陶瓷是具有压电效应的陶瓷材料，即在经极化处理的陶瓷体上沿其极化方向施加一个机械力(或释放压力)时，陶瓷体会产生充(放) 电现象，这就是正压电效应;反之，若在陶瓷体上施加一个与极化方向相同(或相反)的电场，则会引起陶瓷片伸长(或缩短) 的形变，被称为逆压电效应或电致伸缩效应。在工程技术中应用较普遍的是由压电陶瓷材料制作而成的压电元件。通常选用压电常数较大的层叠式压电元件获取微变形，它的线性比较优良，且具有体积小、刚度大、形变相对较大、位移分辨率高和响应迅速的特点，不发热、无噪声、易于控制，是理想的微定位器件。
柔性铰链是一种带圆弧或矩形切口的一体化新型铰链，常用的柔性铰链结构有直角形、圆角形、直圆形和椭圆形等。其中，直圆形铰链刚度高、精度高且加工方便，是应用最广的一种柔性铰链(如图1所示)。
柔性铰链的中部较为薄弱，在力矩作用下可以产生较明显的弹性角变形，能在机械结构中起到铰链的作用。它与一般#p#副标题#e#铰链的区别是没有机械结构上的间隙，并且有弹性回复力，因而消除了运动中的摩擦和回退空程。在超精密定位中较多采用的是圆弧型柔性铰链，它运动精度较高，但转动幅度小。由柔性铰链构成的柔性铰链机构结构紧凑、传动关系明确、无传动空程，并且无摩擦，最适合与压电元件组成微小型结构简洁、频响高的超高精度定位工作台。同时柔性铰链机构还可放大压电致动器的位移,并提供适当的预紧，避免压电致动器承受拉应力。
精密定位的系统实例
图2所示为三自由度精密定位工作台。由上平台、微位移放大机构、压电陶瓷驱动器和基座等组成。上平台与基座之间由3个微位移放大机构相连接，3个微位移放大机构均匀布置，相隔120°。当对压电元件施加特定波形的电压，压电元件随之伸长，经过柔性铰链连接的微位移放大机构放大，在放大机构的输出端得到一个放大的输出位移，经过球形柔性铰链带动上平台运动。由于采用压电陶瓷作为驱动器，保证了定位工作台具有高精度的运动输出和快的响应速度，无摩擦、免润滑，且结构紧凑，在实现精密定位的同时具有较大的行程和运动范围。
精密定位研究概况
近年来,国内外对精密定位工作台进行了大量的研究也取得了很大的成功，研究传动的组件用到了柔性铰链而驱动的机构也从以前的液压驱动，磁性变形驱动、杠杆、凸轮等驱动变为现在的压电元件。1997年韩国的RyujaeW教授等人应用用柔性铰链机构，设计出晶圆平台，使浮动平台的两个轴向都具有放大位移量的表现，以及θ偏转角度的功能，其特色为将三根压电驱动器，呈120度放射状摆置，各自推动两组合式的连杆铰链机构，其优点是在同一层平台上就有X.Y两个轴向位移及旋转θ角度的偏转量，针对X、Y、θ的动态特性，用数学方程解铰链接头的各项参数尺寸，决定最优化的参数尺寸，及平台自然频率的振形。到 1999年，Chang等利用参数的最优化分析，处理几何公差和不同材质的问题，设计出一个三自由度的精密定位平台，用LVDT及激光干涉仪实验测量，在比15V驱动下，有最大位移量17.9μm，分辨率9.6nm;有最大偏转585μrad，分辨率0.15μrad。最大位移范围内，另一轴偏移率低于1.14%，X、Y平台共振频率为627HZ，θz平台共振频率为269HZ。
在我国，近年来许多高校，如清华大学、天津大学、长春光机所、华南理工大学、哈尔滨工业大学、合肥工业大学等都投身到这个领域研究中并且也取得了不错的成就。
参考文献：
1. 张建瓴、陈万银、可欣荣、魏德仙、洪添胜 《三自由度精密定位工作台的设计与仿真》
2. 卢礼华、白清顺、梁迎春 《纳米定位技术的发展现状》
3. 刘国华、李亮玉《压电式执行器用于超精密进给机构的技术研究》
4. 张尚盈、陈学东、赵 慧、严天宏 《超精密工件台的运动控制》
5. 徐登峰、 赵 冶《超精密运动平台高动态性能运动部件的研究》