[发明专利]基于柔顺机构的压电超结构模态阻尼增强导向机构及方法

说明书

本发明公开了一种基于柔顺机构的压电超结构模态阻尼增强导向机构及方法，包括基座、桥式位移放大机构及导向机构，所述桥式位移放大机构内嵌有压电陶瓷驱动器，导向机构的一端与桥式位移放大机构的输出端连接，桥式位移放大机构的输入端及导向机构的另一端分别与基座连接，所述导向机构包括两根对称设置在桥式位移放大机构输出端两侧的导向梁，导向梁的外表面粘贴有压电超结构。本发明不但能根据导向机构的降价合成模态振型精确地增强导向机构的阻尼，而且所设计的结构简单以及制造成本低廉。

技术领域

本发明涉及自动控制领域，具体涉及一种基于柔顺机构的压电超结构模态阻尼增强导向机构及方法。

背景技术

随着集成电路技术的快速发展，尤其是5G芯片需求的到来，芯片制造工艺越来越受关注。光刻机是芯片制造工艺不可或缺的关键精密设备，其纳米精密定位的核心在于纳米精密定位平台。而柔顺机构是纳米精密定位平台的核心构件，其基于压电驱动的动力学特性会直接限制平台的运动控制带宽。因为由控制理论可知，二阶动力学模型的最大控制带宽小于固有频率与阻尼比的乘积的两倍，且压电驱动柔顺机构的最大带宽通常不超过其一阶固有频率的2％(柔顺机构的阻尼比一般为0.01量级)。而基于柔顺机构的纳米精密定位平台，其末端平台常常采用柔性导向机构，以保证纳米精密定位平台的运动定位精度与输出方向性。因此，通常将导向机构的导向刚度设计足够大同时也将导向机构的质量设计足够小，即尽可能以更大的低阶固有频率来保证柔性导向机构的导向运动控制带宽。但是基于压电驱动柔顺机构的压电陶瓷驱动器的驱动能力有限以及刚度/输出位移关系的矛盾等限制了该设计思想的推广应用。显然，提高阻尼比即增强柔性导向机构的阻尼是另一种更好的选择。

目前所研究的阻尼方法主要包括主动阻尼和被动阻尼两种。对于主动阻尼，国内外研究者先后提出了多种固定结构/低阶和复杂结构的主动阻尼控制律，其中固定结构/低阶控制律有的对系统动力学特性变化的适应性较差，有的会损失部分压电驱动能力。而复杂结构控制律的控制算法相对较复杂，会影响柔顺机构的闭环控制带宽。对于被动阻尼，常见的被动阻尼主要包括自由层阻尼、约束层阻尼以及压电分流阻尼等，其中自由层阻尼和约束层阻尼虽然能够较好地适应系统的动力学特性的变化，但其宽频特性会引起系统非共振区能量的损耗，从而降低了压电驱动柔顺机构的运动敏捷性。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明的首要目的是提供一种基于柔顺机构的压电超结构模态阻尼增强导向机构。

本发明的次要目的是提供一种基于柔顺机构的压电超结构模态阻尼增强导向机构的方法。

本发明的首要目的是通过如下技术方案实现：

一种基于柔顺机构的压电超结构模态阻尼增强导向机构，包括基座、桥式位移放大机构及导向机构，所述桥式位移放大机构内嵌有压电陶瓷驱动器，导向机构的一端与桥式位移放大机构的输出端连接，桥式位移放大机构的输入端及导向机构的另一端分别与基座固定，所述导向机构包括两根对称设置的导向梁，两根导向梁设置在桥式位移放大机构输出端两侧，导向梁的两个表面粘贴有压电超结构，两个表面为相对面。

进一步，所述压电超结构包括多块尺寸相同的压电分流单元。

进一步，所述压电分流单元包括压电陶瓷片、导线和耗能电子元器件，所述压电陶瓷片的上下极板分别外接分流电路以形成回路。

进一步，所述压电陶瓷片为压电晶体、压电纤维或压电聚合物。

进一步，所述分流电路包括导线、电阻、合成阻抗及电容。

进一步，所述压电分流单元粘贴的位置及相邻压电分流单元的间距由所要控制的降阶合成模态振型及应力大小来确定。

进一步，在一阶模态下，应力越大，压电分流单元的间距越小，分布越密集；当应力越小或为零时，压电分流单元的间距越大或者不贴。