精密定位技术的应用与特点

发布时间：2022-10-05 21:42 热度：

　　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