压电尺蠖电机驱动式两自由度大行程高分辨率并联解耦精密定位平台的研究

Currently，the demand for optical components, such as micro lens array and micro reflective mirror array for large and high accuracy imaging systems, and optical grating for ultra precision machining, are increasing. The long stroke, high resolution and precision positioning stage is essential for ultra-precision machining and measurement of these optical components.. This investigation proposes a novel method for design of piezoelectric inchworm motor which integrates the clamping and the driving mechanism; based on planar parallel structure, a novel motion decoupling method of guiding spindle translation is proposed for planar parallel stage; based on the proposed methods, the realization of the piezoelectric inchworm motor and the positioning aerostatic stage with high stroke, high accuracy, high resolution and decoupling in x, y directions are investigated.. This research can provide a new method for the design of piezoelectric inchworm motor and precision positioning stage both in the breadth and depth. Furthermore, it has an important significance for promoting the progress of the precision and ultra-precision machining and measuring technology.

目前用于大型、高精度成像装置中的光学零部件（如微透镜阵列、微反射镜阵列）以及用于超精密加工中的光学检测元件（如光栅）的需求不断增加，而大行程、高分辨率精密定位平台是对这些光学元器件进行精密与超精密加工及测量所必需的。. 本项目基于结构一体化的设计思想，提出了一种新的将箝位机构、驱动机构集成为一体的压电尺蠖电机的设计方法；在共平面式并联结构的基础上，提出了一种新的导向轴平动式共平面平台的运动解耦方法；基于所提出的设计方法与运动解耦方法，研究压电尺蠖电机及其驱动的x、y两自由度气浮支撑式并联解耦定位平台大行程、高精度、高分辨率的实现。. 本项目所开展的相关研究，不仅可为压电尺蠖电机及精密定位平台的设计提供新的方法，提高它们研究的广度和深度，而且对于推动精密与超精密加工及测量技术的进步，也具有重要意义。

压电尺蠖电机是一种依据尺蠖运动原理，将压电执行器的微米级位移累积成毫米级以上的大行程位移。它克服了传统电磁电机存在电磁干扰、压电超声电机效率与精度低、压电粘滑电机驱动力小及定位稳定性差等不足，具有输出力大、定位稳定等优点，在超精密加工、三维形貌测量及半导体制造中展现出独特优势。目前，压电尺蠖电机结构复杂，装配调节困难，且研究大都集中于原理验证阶段，没有关于其动力学机理开展深入系统的相关研究。.本项目基于所提出的结构一体化及全位移放大设计思想，进而采用柔顺放大机构，设计出结构简单紧凑、能够充分钳位及释放的压电尺蠖电机及平台新构型；基于单一变量法对影响电机及平台性能的几何尺寸进行了优化，采用ANSYS对优化后的电机及平台位移、应力及模态等静动态特性进行了仿真分析；运用柔度矩阵法，建立了电机及平台的刚度分析模型，系统分析了电机及平台的理论刚度，进而在分析压电执行器机电特性及电机与平台机械动力学特性的基础上，建立了电机及平台的机电-刚柔耦合动力学模型，采用数值计算软件Maple，对所建动力学模型进行了仿真分析，获得了电机及平台的运动变化规律：其单步位移、运动速度、驱动力随驱动电压幅值增大而增大，在一定频率范围内单步位移基本不变，超过该频率后则逐渐减小，运动速度与驱动力随驱动电压频率的增大而先增大后减小。.所设计电机尺寸为115mmx74mmx60mm，最快速度为0.17mm/s，位移分辨率为10nm，最大驱动力为34N，轴向窜动误差、水平摆动误差、纵向俯仰误差分别为2.5μm、4μm、8μm；所设计平台尺寸为160mmx90mmx25mm，最快速度为1.98mm/s，位移分辨率为8.6nm，最大驱动力为20N；实测电机及平台的运动变化规律同仿真分析结果基本一致。.本项目为压电尺蠖电机及平台的设计及分析提供了新的方法，对促进超精密加工、三维形貌测量及半导体制造技术的进步具有重要意义。