專利名稱：大行程納米級步距壓電微動工作平臺及其驅(qū)動控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米測量和納米定位，特別是一種大行程納米級步距壓電微動工作平臺。適用于納米技術(shù)領(lǐng)域，特別是納米機械加工、納米測量、電子器件生產(chǎn)、微型機電系統(tǒng)、納米材料、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微驅(qū)動、定位技術(shù)是當(dāng)今世界各國研究的熱點問題，是納米測量及加工技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，無論是納米測量還是納米定位，都需要有一個微驅(qū)動系統(tǒng)。微驅(qū)動器的性能好壞，直接影響到測量或定位的精度。所謂微驅(qū)動器指的是能產(chǎn)生微驅(qū)動作用的器件和裝置。微驅(qū)動器是微驅(qū)動、定位系統(tǒng)中的重要組成部分。國內(nèi)外著名的大學(xué)和實驗室都將有關(guān)微驅(qū)動器的設(shè)計、加工、制造技術(shù)、測試技術(shù)等的研究作為微機械研究的一個重點方向和突破口。壓電馬達(dá)是近年來發(fā)展起來的新型驅(qū)動器，是一種利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)制作的微位移器，具有體積小、推力大、精度高、位移分辨率高和頻響快等優(yōu)點，并且不發(fā)熱，不產(chǎn)生噪聲，是理想的微位移傳感器。它的出現(xiàn)帶動了諸如超大規(guī)模集成電路加工、精密光學(xué)控制、超精加工、顯微分析、人工智能控制等的飛速發(fā)展，在國防、微電子、航空、航天等尖端領(lǐng)域發(fā)揮著極為重要的作用。雖然壓電馬達(dá)達(dá)到了應(yīng)用的水平，但由于價格比較貴而難以在更加廣的范圍內(nèi)應(yīng)用，改變馬達(dá)的結(jié)構(gòu)和選擇適當(dāng)?shù)牟牧隙伎梢赃M(jìn)一步降低馬達(dá)的成本。在這種情況下，研制一種結(jié)構(gòu)簡單、造價低、裝調(diào)容易、運動精度高的壓電微動裝置，在精密測試技術(shù)領(lǐng)域還是有著一定的研究價值和現(xiàn)實意義的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、裝調(diào)容易、運動精度高的大行程納米級步距壓電微動工作平臺。本發(fā)明所要解決的另一技術(shù)問題是，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、裝調(diào)容易、運動精度高的大行程納米級步距壓電微動工作平臺驅(qū)動控制系統(tǒng)。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的大行程納米級步距壓電微動工作平臺，包括底座。所述底座上設(shè)置有導(dǎo)軌塊，導(dǎo)軌塊上設(shè)置有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌連接有可沿該導(dǎo)軌移動的平臺；所述導(dǎo)軌塊的端部設(shè)置有驅(qū)動單元，驅(qū)動單元由夾緊器和驅(qū)動器組成，夾緊器在其電極通電時，產(chǎn)生伸展或收縮變形，用于完成夾緊和放松動作。
所述的驅(qū)動單元為2個，2個單元對稱放置。
所述的夾緊器為多片層疊塊狀壓電晶體。
所述的驅(qū)動器為塊狀壓電陶瓷。
所述的夾緊器和驅(qū)動器之間設(shè)置有連接塊。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的大行程納米級步距壓電微動工作平臺驅(qū)動控制系統(tǒng)，包括單片機以及與該單片機連接的程序存儲器、鎖存器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、譯碼器、鍵盤和顯示電路，程序存儲器內(nèi)存儲有控制程序；所述單片機的P1口的兩個管腳定時取反用于產(chǎn)生并按時序輸出2路方波；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器用于產(chǎn)生并按時序輸出2路三角波；上述4路時序波形經(jīng)直流放大器放大后，驅(qū)動大行程納米級步距壓電微動工作平臺。
所述的驅(qū)動控制系統(tǒng)在運行控制程序時，執(zhí)行以下步驟a、開始；b、初始化；c、顯示±00H000U；d、設(shè)定頻率、電壓值；e、顯示00F0000；f、設(shè)定步數(shù)；g、參數(shù)計算；h、定時器初始化；i、設(shè)定運動方式；j、按以下指令設(shè)定運動方式，前行forwardflag＝1，后退forwardflag＝0，連續(xù)continueflag＝1，單步continueflag＝0；k、執(zhí)行；l、結(jié)束。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果(一)由于采用平臺——導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)，直接使工作平臺產(chǎn)生納米級的運動分辨力，總行程可以達(dá)到十幾毫米，并將傳統(tǒng)單驅(qū)動器結(jié)構(gòu)改為雙驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，配以適當(dāng)?shù)乃穆夫?qū)動信號，實現(xiàn)了壓電微動工作平臺的連續(xù)勻速運動；(二)本發(fā)明與掃描探針顯微鏡(SPM)相結(jié)合，可用于微型機電產(chǎn)品、微電子產(chǎn)品的檢測中，還可與納米機械加工過程相結(jié)合，對加工過程進(jìn)行實時控制。


圖1是本發(fā)明大行程納米級步距壓電微動工作平臺的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明大行程納米級步距壓電微動工作平臺的運動原理圖；圖3是本發(fā)明大行程納米級步距壓電微動工作平臺驅(qū)動控制系統(tǒng)的驅(qū)動電壓波形圖；圖4是本發(fā)明大行程納米級步距壓電微動工作平臺驅(qū)動控制系統(tǒng)的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖；圖5是本發(fā)明大行程納米級步距壓電微動工作平臺驅(qū)動控制系統(tǒng)的控制程序流程圖；圖6是本發(fā)明的實驗裝置連接示意圖；圖7是位移隨頻率變化曲線；
圖8是位移隨電壓變化曲線；圖9是本發(fā)明大行程納米級步距壓電微動工作平臺的位移曲線。
附圖標(biāo)記1是驅(qū)動器 2是夾緊器 3是平臺 4是連接塊 5是導(dǎo)軌塊具體實施方式
以下附圖對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
本發(fā)明大行程納米級步距壓電微動工作平臺的實施例如圖1所示，本發(fā)明的壓電微動工作平臺包括平臺3、導(dǎo)軌塊5、底座、兩個夾緊器2、和兩個驅(qū)動器1。兩個夾緊器中，圖中左邊的夾緊器為C1，圖中右邊的夾緊器為C2。兩個驅(qū)動器中，圖中左邊的驅(qū)動器為A1，圖中右邊的驅(qū)動器為A2。由一個夾緊器和一個驅(qū)動器組成一個單元。夾由于這兩個單元的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)滿足的功能完全一致，故將兩個單元對稱放置，這樣既加大了微動工作平臺的驅(qū)動力，又增加了運行的平穩(wěn)性，且結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。緊器2和驅(qū)動器1之間設(shè)置有連接塊4。導(dǎo)軌塊5設(shè)置在底座上，導(dǎo)軌塊5上設(shè)置有導(dǎo)軌，平臺3可沿該導(dǎo)軌移動。驅(qū)動單元設(shè)置在導(dǎo)軌塊的兩端，夾緊器在其電極通電時，產(chǎn)生伸展或收縮變形，用于完成夾緊和放松動作。
對于夾緊器，選用了形變較大的多片層疊塊狀壓電晶體，給壓電晶體塊的電極通電時，它們會同時產(chǎn)生變形—伸展或收縮，來完成夾緊和放松平臺的動作。對于驅(qū)動器，選擇了塊狀壓電陶瓷，適當(dāng)選擇所加電壓(根據(jù)不同壓電陶瓷所能承受的電壓施加電壓)，使之滿足產(chǎn)生較大變形和驅(qū)動力的要求。
與上述運動原理相配合的供電電壓波形如圖3所示。圖3上方是供給夾緊器C1、C2壓電晶體塊的電壓波形，而圖3下方是供給驅(qū)動器A1、A2塊狀壓電晶體的電壓波形。在過渡區(qū)Tr時，由于C1和C2同時夾緊，因此A1推與A2拉形成合力，同時驅(qū)動平臺運動。由于A1、A2運動上的搭接以及供給驅(qū)動器的是三角波，故馬達(dá)運動狀態(tài)是連續(xù)的勻速運動，從而保證了運動的平穩(wěn)性。如果將C1與C2、A1與A2驅(qū)動波形同時互換時，平臺將向相反方向運動。
由于壓電材料具有體積小、無熱源、超高分辨率等優(yōu)點，因此可以用來實現(xiàn)微驅(qū)動。本發(fā)明在“尺蠖原理”的基礎(chǔ)上進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，由控制系統(tǒng)產(chǎn)生四路激勵信號，采用新穎的“推—拉”原理實現(xiàn)微動工作平臺的納米級連續(xù)勻速運動?！巴啤痹砣鐖D2所示。壓電微動工作平臺是由兩個夾緊器C1、C2和兩個驅(qū)動器A1、A2組成的。當(dāng)夾緊器C1夾緊時，夾緊器C2放松，同時驅(qū)動器A1膨脹，推動微動工作平臺的平臺向左運動，此時，驅(qū)動器A2膨脹(此為預(yù)備動作)；下一步，當(dāng)夾緊器C2夾緊時，加緊器C1則處于放松狀態(tài)，驅(qū)動器A2收縮，由于C2的夾緊，故繼續(xù)拉動平臺向左運動，同時驅(qū)動器A1收縮(此也是預(yù)備動作)；下一步，同第一步，即C1夾緊，C2放松，A2和A1膨脹，推動平臺運動……。如此往復(fù)，交替地“推”和“拉”，從而使平臺不斷地向左連續(xù)運動。
本發(fā)明大行程納米級步距壓電微動工作平臺驅(qū)動控制系統(tǒng)實施例本發(fā)明的大行程納米級步距壓電微動工作平臺驅(qū)動控制系統(tǒng)如圖4所示，它用于產(chǎn)生圖3所示的四路時序波形，即輸出兩路三角波、兩路方波，并按時序輸出。控制系統(tǒng)產(chǎn)生的四路時序波形經(jīng)直流放大器放大后，加到壓電馬達(dá)上，使其完成前進(jìn)或后退、單步或連續(xù)運動等功能。硬件系統(tǒng)采用的是8031單片機控制系統(tǒng)，方波的輸出是以P1口的兩個管腳定時取反而得，三角波則是由外擴的兩片D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832的同步緩沖輸出獲得。鍵盤和顯示選用的是8279芯片。直流放大器是采用專用于壓電陶瓷的四路直流高壓放大器。軟件系統(tǒng)采用Keil C高級語言編程，以定時器中斷方式產(chǎn)生所需波形?？刂瞥绦蛄鞒虉D如圖5所示。
性能測試如下圖6為壓電馬達(dá)性能測試所用實驗裝置連接示意圖。電容測微儀選用的是JDC-2000型高精度電容測微儀，其分辨力可達(dá)4nm/mV。利用以上裝置，對本發(fā)明的大行程納米級步距壓電微動工作平臺的運動特性進(jìn)行了測試。
壓電微動工作平臺運動位移與驅(qū)動頻率的關(guān)系實驗實驗中，保持驅(qū)動電壓幅值不變，改變驅(qū)動電壓頻率。在1～40Hz的頻率范圍內(nèi)，頻率每改變5Hz進(jìn)行一次測量，分別在200V和100V驅(qū)動電壓下測得的壓電微動工作平臺單步位移量與驅(qū)動頻率之間的關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可以看出，當(dāng)驅(qū)動電壓幅值一定時，壓電微動工作平臺的步距隨驅(qū)動頻率的提高而減小。
壓電微動工作平臺運動位移與驅(qū)動電壓的關(guān)系實驗驅(qū)動電壓頻率固定在5Hz，驅(qū)動電壓幅值每提高50V測量一次，測得的壓電微動工作平臺單步位移量與驅(qū)動電壓之間的關(guān)系曲線如圖8所示。由圖8可以看出，當(dāng)驅(qū)動電壓頻率一定時，壓電微動工作平臺的步距隨驅(qū)動電壓的增大而增大。
壓電微動工作平臺的驅(qū)動速度測試通過實驗發(fā)現(xiàn)，壓電微動工作平臺的運動速度不僅與驅(qū)動電壓的大小有關(guān)，還與驅(qū)動頻率有關(guān)。在額定電壓內(nèi)，驅(qū)動速度隨驅(qū)動電壓的增大而單調(diào)遞增。表1所示為200V驅(qū)動電壓下，不同驅(qū)動頻率時的微動工作平臺的運動速度。從表1中可以看出，該壓電微動工作平臺的運動速度可以達(dá)到13.86μm/s。加大電壓可以進(jìn)一步提高驅(qū)動速度，但要看所用壓電元件允許多大的驅(qū)動電壓，否則會損壞壓電元件，甚至引起擊穿。
表1 200V電壓下不同頻率運行速度比較

壓電微動工作平臺運動的線性度通過大量實驗發(fā)現(xiàn)，雖然該壓電微動工作平臺采用的是推—拉接力式的運動原理，但由于巧妙的系統(tǒng)設(shè)計，保證了該微動工作平臺的運動位移是線性的，即該馬達(dá)實現(xiàn)了連續(xù)勻速運動。圖9為在200V、30Hz的驅(qū)動電壓下，測得的壓電微動工作平臺運動位移曲線。測量時，由壓電微動工作平臺控制器控制其運動，微動工作平臺每運動兩步記錄一次數(shù)據(jù)。由圖9可以看出，壓電微動工作平臺的運動位移是線性的。
壓電微動工作平臺的承載力實驗中，給微動工作平臺施加200V、1Hz的電壓，將砝碼從小重量加起放在微動工作平臺上，同時觀察電容測微儀的示數(shù)變化，最后測得壓電微動工作平臺的最大承載力為24N。
壓電微動工作平臺的最小步距實驗中發(fā)現(xiàn)，壓電微動工作平臺在驅(qū)動電壓低于5V時，運行不穩(wěn)定，有停滯不動現(xiàn)象，因此，我們?nèi)?shù)據(jù)相對穩(wěn)定的5V、10Hz電壓下測得的位移量作為最小步距。測得數(shù)據(jù)如表2所示。
表2 5V、10Hz下每行進(jìn)2步位移

由表2可以看出，本發(fā)明的壓電微動工作平臺的最小步距平均可達(dá)18.4nm。如果用小變形的壓電元件做驅(qū)動器，并進(jìn)一步提高驅(qū)動頻率，可以獲得更小的步距。
壓電微動工作平臺運行范圍施加200V、1Hz電壓，選擇連續(xù)運動方式，使壓電微動工作平臺運動。經(jīng)過110分鐘左右時間的運動，壓電微動工作平臺的夾緊裝置與平臺端面之間達(dá)到最小接觸狀態(tài)，停止運動，此時測量壓電微動工作平臺的運動位移量為11mm，因此可以得出壓電微動工作平臺運行的最大范圍為11mm。
本發(fā)明采用以尺蠖運動原理為基礎(chǔ)的新穎的“推—拉”接力運動原理，通過信號控制系統(tǒng)及巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了勻速連續(xù)運動，并獲得了很好的運動線性度。該微動工作平臺的行程可達(dá)11mm，理論上可以達(dá)到上百毫米，實際上主要取決于平臺的尺寸。
該微動工作平臺的步距隨著驅(qū)動電壓的增大而增大，隨著驅(qū)動頻率的提高而減小，最小步距可達(dá)納米級。通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓的幅值及頻率，可以改變微動工作平臺的驅(qū)動速度，最快可以達(dá)到13.86μm/s。該微動工作平臺的載物能力可以達(dá)到24N，有良好的實際應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種大行程納米級步距壓電微動工作平臺，包括底座，其特征在于，所述底座上設(shè)置有導(dǎo)軌塊，導(dǎo)軌塊上設(shè)置有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌連接有可沿該導(dǎo)軌移動的平臺；所述導(dǎo)軌塊的端部設(shè)置有驅(qū)動單元，驅(qū)動單元由夾緊器和驅(qū)動器組成，夾緊器在其電極通電時，產(chǎn)生伸展或收縮變形，用于完成夾緊和放松動作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大行程納米級步距壓電微動工作平臺，其特征在于，所述的驅(qū)動單元為2個，2個單元對稱放置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大行程納米級步距壓電微動工作平臺，其特征在于，所述的夾緊器為多片層疊塊狀壓電晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大行程納米級步距壓電微動工作平臺，其特征在于，所述的驅(qū)動器為塊狀壓電陶瓷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大行程納米級步距壓電微動工作平臺，其特征在于，所述的夾緊器和驅(qū)動器之間設(shè)置有連接塊。
6.一種大行程納米級步距壓電微動工作平臺驅(qū)動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動控制系統(tǒng)包括單片機以及與該單片機連接的程序存儲器、鎖存器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、譯碼器、鍵盤和顯示電路，程序存儲器內(nèi)存儲有控制程序；所述單片機的P1口的兩個管腳定時取反用于產(chǎn)生并按時序輸出2路方波；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器用于產(chǎn)生并按時序輸出2路三角波；上述4路時序波形經(jīng)直流放大器放大后，驅(qū)動大行程納米級步距壓電微動工作平臺。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種大行程納米級步距壓電微動工作平臺驅(qū)動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的驅(qū)動控制系統(tǒng)在運行控制程序時，執(zhí)行以下步驟a、開始；b、初始化；c、顯示±00H000U；d、設(shè)定頻率、電壓值；e、顯示00F0000；f、設(shè)定步數(shù)；g、參數(shù)計算；h、定時器初始化；i、設(shè)定運動方式；j、按以下指令設(shè)定運動方式，前行forwardflag＝1，后退forwardflag＝0，連續(xù)continueflag＝1，單步continueflag＝0；k、執(zhí)行；l、結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大行程納米級步距壓電微動工作平臺及其驅(qū)動控制系統(tǒng)。適用于納米技術(shù)領(lǐng)域，特別是納米機械加工、納米測量、電子器件生產(chǎn)、微型機電系統(tǒng)、納米材料、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。本發(fā)明的大行程納米級步距壓電微動工作平臺，包括平臺和底座。所述平臺上設(shè)置有導(dǎo)軌和沿該導(dǎo)軌移動的導(dǎo)軌塊；所述導(dǎo)軌塊的端部設(shè)置有驅(qū)動單元，驅(qū)動單元由夾緊器和驅(qū)動器組成，夾緊器在其電極通電時，產(chǎn)生伸展或收縮變形，用于完成夾緊和放松動作。本發(fā)明采用平臺——導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)，直接使工作平臺產(chǎn)生納米級的運動分辨力，總行程可以達(dá)到十幾毫米，并將傳統(tǒng)單驅(qū)動器結(jié)構(gòu)改為雙驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，配以適當(dāng)?shù)乃穆夫?qū)動信號，實現(xiàn)了壓電微動工作平臺的連續(xù)勻速運動。
文檔編號B23Q1/25GK1693028SQ200510013559
公開日2005年11月9日 申請日期2005年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月26日
發(fā)明者趙美蓉, 林玉池 申請人:天津大學(xué)