摘要：介绍了一种结构简单、易装配的高精度压电尺蠖式位移致动器，阐述了致动器的工作原理和结构。致动器采用叠堆式压电陶瓷作为驱动，利用柔性铰链作为位移放大机构，能够可靠地实现光轴的双向运动。位移分辨率可以达到纳米级别，步距可以在几纳米至几毫米之间任意选择：
    关键词：压电尺蠖式位移致动器；柔性铰链；纳米定位中图分类号：TM38  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2009)12—0026—03
   O引  言
   近年来，高精度的微位移致动器逐渐被广泛应用于精密测量、精密加工装配、纳米科学仪器、生物细胞操纵和半导体装备等领域。各国科研人员都倾力研究性能更优越的微位移致动器，基于尺蠖运动原理的蠕动式机构是最常用的机构，在此基础上出现了许多不同结构的致动器，其中压电陶瓷和柔性铰链的配合使用是比较理想的机械结构。压电陶瓷具有体积小、出力大、高频响、高分辨率等优点；而柔性铰链具有传动无间隙，无摩擦，运动灵敏度高的优点；压电陶瓷和柔性铰链配合使用的致动器结构紧凑，具有纳米级的定位精度。但是由于压电陶瓷驱动的柔性铰链的位移输出量一般只有几十微米，所以对各部件之间的配合要求极高，这就造成了致动器的结构复杂、装配难度高等技术上的劣势。
    本文介绍一种结构简单、容易装配的高精度微位移致动器，该致动器采用国产压电陶瓷，能够可靠地实现光轴的双向运动。位移分辨率可以达到纳米级，步距可以在几纳米至几毫米之间任意选择。
1结构设计及工作原理l l结构设计本文研究的微位移致动器原理图如图1所示图2是箝位示意图。压电陶瓷选用的是昆山攀特毛陶科技有限公司的PT3S200型块状压电陶瓷，光轴采用的是不锈钢，箝位的柔性框架选择硬铝，使用线切割方法加工制作。

    该制动器结构简单，装配比较容易。由四个支柱将两个箝位固定，每个箝位两端分别设计了螺兰用来调节压电陶瓷与柔性铰链之间的距离，简化了 柔性铰链与光轴的紧配合问题，并对光轴起到加预紧力的作用。
    1．2工作原理
    如图l所示，主要工作部分是由两个箱位和一个驱动部分组成。前者是由压电陶瓷驱动的柔性锁链，柔性铰链的形变引起箝位和光轴之间摩擦力的改变，使两个箝位与光轴之间出现力差；后者是将两根相同直径、表面光滑的圆柱固定在压电陶瓷两端，由压电陶瓷驱动做竖直方向上的往复运动。
    具体的运动过程如下：
    (1)箝位1和2同时抱紧光轴；(2)箝位1松开，同时压电陶瓷通电，致动器伸长；(3)箝位1抱紧光轴；(4)箝位2松开光轴，压电陶瓷断电，致动器缩短；(5)箝位2抱紧光轴；以上步骤完成一步爬行，连续运动只需要不断从步骤(2)到步骤(5)循环。为了消除负位移，步骤(3)和步骤(4)中的箝位l抱紧光轴和箝位2松开光轴不能同时进行。为了保证运动速度，步骤(2)和步骤(3)中致动器伸长和箝位1抱紧光轴，以及步骤(4)和步骤(5)中致动器缩短和箝位2抱紧光轴不能同时进行。
2实验装置

    根据以上原理，我们制作了微位移致动器、驱动电源以及控制软件。图3是微位移致动器实物图，具体尺寸是2 cm×4 cmx6 cm。编写了控制软件，可以通过改变控制界面中的频率和步数来观察微位移致动器的运动规律。计算机根据控制软件界面上的输入值向下位机发出指令，下位机根据指令发出O～5 V的模拟信号，再由高压电源放大后输出控制电压驱动压电陶瓷，波形如图4所示。

   3实验结果及分析、

   3. 1不同驱动电压和频率对致动器运动的影响及分析

   致动器运行1()(]步时，位移随频率的变化情况如图5所示。实验中选择了四种电压l00V、1lOV、130 V和150 V分别驱动压电陶瓷。可以明显地看到：在相同的条件下，随着所加电压的增大，致动器移动的位移也是增大的，也就是说步距是逐渐增大的。这是因为压电陶瓷的伸长量会随着电压的增加而增大。
    图5中的任何一条曲线都是随着频率的增大呈下降趋势，原因是频率变化影响了驱动电压的波形。
低频时(O～50 Hz)，波形基本不失真，随着频率的增加，对步距的影响不大。随着频率由50 Hz增大到200Hz，在这个区间内波形的上升沿和下降沿出现了一定斜率，步距明显地减小。当频率增大到200Hz以上，波形来不及上升到设定的电压值就开始下降，并且随着频率的逐渐升高，波形上升的幅值越来越小，直到零。相应地，步距也相应地减小直到零。综上所述，****的工作频率在50 Hz附近。

    我们使用了Nanonis公司的激光位移传感器测量致动器的位移。在致动器移动loo步之后，运动距离****可以达到1 mm的距离，步距可以达到纳米级的精度，并且在纳米级到微米级之间连续可调。
3. 2加负载时的位移及理论分析

   对压电陶瓷施加150 V电压，选用10 Hz时，致动器负重运行50步的位移如图6所示。可以看到，随着负重的增大，致动器运行的步距不断减小，在接近3 N时，曲线迅速下降，也就是****负重是3 N。

  这个致动器主要用于竖直方向上的运动，需要考虑光轴的重力。当箝位加电压时可以认为加电压箝位一端是固定的，光轴的简化受力模型如图7所示。

  受力方程：

式中：F为压电陶瓷自身产生的驱动力；fs为箝位与光轴之间的动摩擦力；myg是压电陶瓷的等效重力(根据惯性力相等的原则可以推出myg是压电陶瓷实际重力的1／2)；myg是一个光柱的重力；mfg是所加负载的重力。
    经测量得到将光轴从箝位拔出的最小拉力Fmin与箝位压电陶瓷所加电压的关系，如图8所示。

    光轴不带负载运动需要满足方程：F>fs+myg+mzg。对压电陶瓷施加驱动电压时发现，一旦电压低于90 V，光轴就不能移动。由图8可以得到，对压电陶瓷施加90 V电压时，Fmin是5.3 N，即fs+myg+mzg大约是5．3 N。
    当光轴带负载运行时，要满足方程：F—mfg>fs+qg+mzg。对压电陶瓷施加150 V电压时，Fmin是9N。代人上式可以得到mfg<4N，与图6得到的结果相符。当所加负载从零逐渐增大时，f+myg+mzg+mfg  对光轴的动力学分析如下：
  由于圆柱与伸长用压电陶瓷之间是非弹性连接，所以压电陶瓷末端的伸长量与自由端圆柱的伸长量相同，物理模型如图9所示。

  其动力学方程：

式中：M为光柱和负重的质量之和；F为压电陶瓷产生的驱动力；f／为压电陶瓷两端的输入电压；，为流经压电陶瓷的电流；x为压电陶瓷自由端的伸长量；。为阻尼系数，其值与摩擦力、预紧力、圆柱和负重的重力有关。
    根据压电陶瓷的电位移特性，当驱动电压大于某个值后，位移与电压成正比，则：

    x=kU  (4)式中：k为常数。
    将式(4)代入式(3)可以得到：

    FKU=∫UIdt (5)又因为压电陶瓷在电学上可以看作是电容，故有：

式中：c为压电陶瓷的等效电容。
  将式(4)代入式(3)，则：

得到：

将式(8)代人式(2)得到：

    取初始条件为零，进行拉普拉斯变换，可以得}～系统的传递函数：

式中：s为拉氏变换符号。
    当输人为u时，致动器响应为：

    为了提高致动器的动态性能，以式(10)为模垄进行计算机仿真分析，可以得到各参数对系统动态性能的影响特性，为驱动器性能的提高找到理论依据
    4结语
    本文研制了一种结构简单、易装配的高精度压电位移致动器，该致动器采用叠片式压电陶瓷和柔性铰链相结合的方式，系统结构简单，易装配，操作和控制方便。能够町靠地实现光轴的双向运动，最小位移可以达到纳米级别，在几纳米至几毫米之间可以连续可调。并对系统受力进行了理论分析，所得结果与实验结果相符。