Diseño y resultados experimentales de un posicionador nanométrico

Abstract

En este trabajo se presenta el diseño e implementación de un dispositivo para posicionamientos de precisión con un rango de desplazamiento de 18 micrones y resolución nanométrica. Para la etapa de diseño se impuso que el ancho de banda de lazo cerrado sea relativamente alto, en el orden de 100 Hz. El sistema de guiado es del tipo “flexure stage” y es accionado por un piezoeléctrico. El ancho de banda especificado requiere de una rigidez del sistema tal que el primer modo de vibración del conjunto sea al menos 10 veces superior. Por otro lado, las exigencias de alineación del piezoeléctrico, para evitar esfuerzos de tensión destructivas, conducen a la utilización de acoples del tipo esfera-superficie plana. El trabajo presenta el proceso de diseño del sistema de posicionamiento y el efecto que introduce el método de montaje. Tanto la rigidez del flexure como la del acople provocan una disminución del recorrido útil del actuador. Además el sistema de montaje introduce una disminución en la frecuencia de resonancia del conjunto en la dirección de actuación y modos normales laterales adicionales. Para el diseño se utilizaron herramientas de cálculo y simulación por elementos finitos. Se presenta el análisis del contacto bolilla-superficie plana, cuyos resultados se comparan con las ecuaciones de Hertz. Finalmente se presentan resultados experimentales para condiciones de posicionamientos a lazo abierto de tipo estáticos y se comparan con los obtenidos por simulación.