应用于干涉显微镜的直线压电作动器

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随着高科技的不断发展，高精度的微进给技术已经成为MEMS领域的前沿科学，被广泛应用于微细加工、精密测试、精密定位及超精密加工等领域。从 9O年代起，为了满足超精密加工与测量的要求，许多机构需要在大范围内实现高步距准确地连续微进给运动，如光栅刻划机进给系统、集成电路制造系统等。国际上发达国家的相关科学工作者已经对大行程、纳米级步距 、速度可调的连续微进给系统展开了广泛研究。目前，微进给机构的主要驱动原理有热变形、弹性变形-1]、伺服电动机、直线电动机[2]、电磁力驱动、扭轮驱动口]、摩擦驱动、压电驱动等。压电作动器，尤其是叠堆压电作动器，具有能量转换效率高、电源功耗低、响应速度快、分辨率高、输出力大等特点，特别是体积小且能实现低压驱动，故在包括微执行器在内的各种驱动诚具有 良好的应用前景 ]。压电工作台属于典型的微定位器 ，在扫描探针显微镜等仪器设备中应用较广8 ]。国外对将压电作动器用于微型机械及微 执行器领域 的研究起 步较早 ，已经取得 了很多成就，CEDRAT公司所生产的压 电作 动器如 APA、SPA 系列 已广泛应用 于显微镜物镜的纳米定位和扫描系统等各种微驱动诚。PI公司研制的压电作动器可广泛应用于纳米级物镜扫描平台及各种定位平台。国内哈工大的姜文锐采用摩擦驱动与尺蠖运动相结合的方法，用压电陶瓷作为驱动源成功实现了大行程、高稳定度、高精度的连续运动。但由于结构限制，存在应力集中，反复变形易引起疲劳破坏，且传递运动的效率较低等缺点[6]。广东工业学院的杨宜民研究了仿生型步进式直线执行器 ，步距 为 0.1～16 m，步距误差小于0.1 m，适用于低速自动控制中的超高精度的定位和驱动r1。。。

本文针对干涉显微镜焦距调节的应用背景 ，参考国外的产品资料n ，基于三角放大原理，将压电叠堆作为核心驱动单元制作了直线压电作动器 。通过 ANSYS有限元软件对作动器 的结构参数进行了优化。微步距的驱动控制试验表明：该叠堆式压电作动器具有低压驱动、精密步进、定位精度高的优点，该项研究将为其在高精度微动平台上的应用打下基矗2 结构设计传统的位移放大机构有杠杆式放大机构、桥式放大机构 、弹球式放大机构、彩虹式放大机构和铙钹式放大机构 ，如图1所示。

I I8(a)杠 杆式(a)Lever-type(b)桥式(b)Bridge-type8 8 图 ◎ (c)弹珠式 (d)彩虹式 (e)铙钹式(c)Hoodle-type (d)Rainbow-type (e)Cymbal-type图 1 几种位移放大机构的结构形式Fig.1 Some kinds of amplification structures上面5种结构中杠杆式结构尺寸通常很大，这限制了它的应用范围，桥式结构可以产生较大的输入输出放大位移比，且便于制作，但也不易于小型化，弹珠式、彩虹式、铙钹式结构放大原理类似，但彩虹式和铙钹式结构可以采用较细的梁，且更易于小型化 。

2.1 作动器结构设计本文设计的压电作动器将压电叠堆加载电压后的变形通过-定的结构形式放大后输出。为了图2 作动器的工作原理图Fig.2 W orking principle of actuator光学 精密工程 第21卷便于结构的小型化，这里采用了基于三角放大原理的结构 ，它类似于铙钹结构和彩虹式结构，作动器的工作原理如图 2所示，其输出位移与压电叠堆的位移相垂直。

0图 3 作动器放大原理示意图Fig.3 Amplification principle of actuator考虑结构对称性，取作动器的 1/4结构进行分析，将作动器钢架结构简化如图 3所示。设作动器压电叠堆在 X向产生-个 AX的位移，并且其结构尺寸保持不变，此时结构就在 y向产生-个 △y的位移 ，由于 AX和 △y方向相反 ，定义该结构的放大倍数为A--AY/AX。

：：tan ， (1) 1， 7 、-，- tan( - ) ， (2)从式(1)、式(2)可得作动器的放大倍数A- - X tan(a . (3) ～ △X y- · - ) 由于作动器压 电叠堆变形极小 ，0角约为 0，则A tan ， (4)由式(4)可知 ，作动器结构的放大倍数与作动图4 作动器结构图Fig.4 Structure scheme of actuator器的尺寸无关，只与a的大小有关，在设计作动器三角形放大结构时，应使 0/尽量大l1 。

2.2 有限元建模及优化设计采用通用有限元软件 ANSYS，利用 APDL语言建立起作动器的钢架模型〖虑到作动器结构对称且厚度均匀，为了方便建模并提高运算分析速度，建立 1/4结构的平面模型，如图 5所示。

因为作动器内部所要安装的压电叠堆及支撑块等结构尺寸固定，所以 OD为常数。为了保证作动器的刚度，限制作动器臂的最小值应不小于0.5 mm，因此可将作动器的尺寸 OA、EF、BG、DE作为优化变量。作动器臂的右侧底部需留有0.2 mm的空间为线切割加工留余量以便加工。

D图 5 作 动器 1/4模型Fig.5 1/4 model of actuator定义模型的材料参数后，进行结构建模和网格划分，并设置边界约束条件。因为模型沿轴对称，设 DE面上的节点 Uy-0 mm，AH 面上的节点 U -0 mm。对作动器 内侧 CD面上模拟施加压电叠堆变形产生的位移△。通过有限元模拟后取AB面的y向位移和EF面的X 向位移的比值定义为作动器结构的放大倍数。

取初始参数：OA-4 mm，EF：3.0 mm，BG-1.2 mm，DE3.0 mm，假设叠堆为 3块，总变形为 0.004 mm，则作用在 CD面上的X 向应施加 0.002 mm位移约束。经过有限元计算得到作动 器 的 AB 面 在 Y 向 位 移 为 DUy - 0.009 919 63 mm，显然 EF面在 X 向的位移为D ：0.002 mm，从而可得作动器的放大倍数 N(-1)×D /DUX ：4.95，负号表示方向相反。此时作动器的 Von-misses应力为 55。

139 MPa远小于 45钢和 65 Mn的屈服应力 ，因此结构满足强度要求。这里采用优化软件 Opti-mus集成 ANSYS进行优化，采用差分进化算法(DE)对作动器的结构尺寸进行优化，取随机种子第6期 朱 华，等：应用于干涉显微镜的直线压电作动器 15294 总 结本文提出了-种基于压电叠堆的直线作动器，通过比较几种不同结构的放大形式，最终选取了类似于铙钹式和彩虹式的结构形式。对结构的放大倍数进行了理论计算，然后通过有限元分析得到了结构初始 的放大倍数，通过 ANSYS的APDL语言建模，并通过 Optimus进行集成优化，得到了优化后的结构尺寸。样机实验证明，作