六自由度定位平台硕研奈米二甲M98R0206陈信宇前言随着科技的.DOCVIP

六自由度定位平台 碩研奈米二甲M98R0206陳信宇 前言 　　隨著科技的進步，元件的體積越來越小，精度越來越高，原本的線性馬達及步進馬達，其定位精度已不敷使用，還要考慮其間隙問題，隨著壓電馬達的使用，透過各種不同機構設計，提高定位精度。 內容 　　在結構力學上，自由度可分為2種，旋轉的自由度及移動的自由度。在平面中，只有三個自由度，一者為面旋轉（θz），二者為前後（y）及左右（x）兩個移動。在立體中，有六個自由度，三個為前後（y）、上下（z）及左右（x）三個移動和前後（θy）、上下（θz）及左右（θx）三面旋轉。 圖1 六自由度 1.並聯式六自由度奈米級微定位平台 　　由1965年Gough與Stewart發表的並聯式六自由度機構改良而成，此平台原是用6根線性致動器搭配萬向接頭組成，經由線性致動器的長度伸縮變化，牽引萬向接頭，使平台可呈現出不同的角度和位置。 圖2 並聯式六自由度機構（史都華平台） 　　透過壓電致動器的長度變化取代原本的線性致動器，萬向接頭的部分由可360度旋轉的可撓性機構替代，透過6根致動器長度不同的變化，達到六自由度運動，在電壓100V下，具有三個軸向8μm的位移量及10nm的解析度，三個旋轉方向250μrad的旋轉量。 圖3 可撓性機構 圖4 六自由度機構模型，1：基板、2：壓電致動器放置處、3滑動撓性機構、4.5：兩個球窩接點撓性機構、(1)：固定座、(2)：一對PSS機構、(3)：移動平台 2.橢圓放大機構構成的六自由度微奈米定位平台 　　機構的特色為可增加位移移動範圍及消除組裝所產生的誤差，包括一工作平台，四個撓性鉸鏈組，八個壓電致動器固定槽，四個複合式放大機構。利用肘節機構和槓桿機構組合成一橢圓複合式放大機構，在垂直軸向的放大位移利用肘節機構的理論原理，水平軸向的放大位移利用槓桿機構的理論原理，該兩個機構(肘節機構和槓桿機構)皆可得到較高的機械效益。另外藉由四個撓性鉸鏈組連結四個橢圓複合式放大機構，安裝在一固定底座上，該固定底座四個角落各向上沿伸四個支撐支柱，在支撐支柱上製作壓電陶瓷致動器固定槽，結合成一體機構，藉由線切割加工方法，切割成一體成型的六自由度微/奈米精密定位平台。 　　當壓電致動器驅動橢圓複合式放大機構係可使工作平台移動位移範圍增大，並利用八個壓電陶瓷致動器驅動作不同的變化，該工作平台即可產生六個自由度的運動，且皆有擴大六個自由度的位移範圍。 　　其缺點為六自由度的定位要使用到八個壓電致動器，會使平台在操控上較不容易，而且在成本的考量下，應盡量減少致動器的數量。 圖5 橢圓放大機構構成的六自由度微奈米定位平台 3.串聯式六自由度奈米定位平台 　　三自由度奈米定位平台分為2種，為（x, y,θz）和（θx,θy, z），將兩種獨力不同的三自由度定位平台組合使用，組成六自由度定位平台。 （x, y,θz）： (1)串聯式三自由度微定位平台： 　　如圖6所示，平台結構中有一槓桿式機構，此槓桿式機構的設計能使定位平台產生θz軸的定位效果，並且能夠使旋轉中心精確在整個定位平台的中心處；內層移動台、中層移動台以及外層移動台採用波浪形撓性平板彈簧作為連接，波浪形撓性平板彈簧因其可撓性大，所以能夠擴大定位平台的位移行程。 圖6 串聯式三自由度微定位平台 (2)平面式三自由度微奈米定位平台： 　　如圖7所示，利用三組線性放大件以環狀分佈放置，線性放大件能夠有效放大工作平台之位移量，使工作平台進行長行程的的位移定位，達到高精密度的調整定位效果。 圖7 平面式三自由度微奈米定位平台 (3)XYθZ走式微奈米精度平台： 　　如圖8所示，利用瞬間脈衝電壓訊號驅動三個壓電致動器，使壓電致動器所產生之瞬間脈衝力量衝擊板式弓型彈簧，即可使平台產生移動，若給予持續性的電壓脈衝訊號輸入壓電致動器，隨著時間越久平台位移範圍逐漸增大。 圖8 XYθZ走式微奈米精度平台 （θx,θy, z）： (1)圓柱體三自由度微奈米定位平台： 　　如圖9所示，平台機構中間有一圓盤式平板彈簧，圓盤式平板彈簧上下各有兩個鉸鏈且以90度之間距交叉相隔並連結於上下平台基體，使上平台基體與下平台基體可相對移動，在平台基體的外環以120度相隔設置三組壓電陶瓷致動器固定槽，且於各固定槽內放置壓電陶瓷致動器，三個壓電陶瓷致動器依照不同驅動力的組合，帶動工作台產生三個自由度的高精密調整定位。 圖9 圓柱體三自由度微奈米定位平台 (2)六面體微奈米定位平台： 　　如圖10所示，四根壓電致動器分別裝置在一立方體四個側邊的固定槽內；八個平板形平板彈簧以反對稱的方式設置在立方體的四側，並與平台基體相互連結。利用壓電致動器驅動，使工作平台達到定位的效果，當停止驅動時，工作平台受平板形平板彈簧之回彈作用力的作用而回複到原來的初始位置。 圖10 六面體微奈米定位平台