圆弧形柔性铰链式二维并联压电微动平台的设计【文献综述】

毕业论文文献综述

机械设计制造及其自动化

圆弧形柔性铰链式二维并联压电微动平台的设计

1、前言

以柔性铰链为导向机构的超高精度微动工作台已被广泛用于能束加工、超精密检测、微操作系统等要求具有纳米级定位分辨率的技术领域中。随着纳米技术研究的深入发展, 高分辨率、宽行程、高频响的微动工作台越来越成为研究开发的热点和难点。随着科技的发展, 各类精密、超精密仪器仪表, 如图形发生器、分步重复照相机、光刻机、电子束和X射线及其检测设备等被广泛地应用于科学研究和现实生活中[3~5]。与此同时, 相配套的各类精密、超精密微动平台也应运而生。微动系统一般由微动平台、检测装置、控制系统3 部分组成。

2、微动平台简介

微动平台，或称为微位移机构，是指行程小(一般小于mm 级)、灵敏度和精度高的机构, 它是微动系统的核心。微动工作台主要由微位移驱动器、导轨和输出平台等组成。微位移驱动器直接把输入电压/电流转变成相应的输出位移, 而导轨则把此位移量传递到工作台。

3、压电陶瓷简介

由于压电陶瓷驱动器具有高刚度、高分辨率、无摩擦和磨损以及响应速度快等优点, 因而在纳米级的微定位装置中得到广泛应用。系统采用压电陶瓷微位移驱动器, 它是一种固体器件, 易与电源、位移传感器、微机等实现闭环控制, 无需传动机构, 具有位移精度高, 响应速度快, 功耗低等特点, 被广泛应用于微动平台的设计中。

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。

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。

4、国内外研究现状

柔性铰链是一种弹性元件, 具有结构简单、重量轻、无摩擦、无噪声、不需要润滑等特点。在结构设计上, 把它作为导向、定位和传动等元件。笔者设计的柔性铰链扩展、配置灵活, 通过对一维柔性铰链的简单几何叠加, 可以方便组成二维或多维柔性铰链。柔性铰链分为单轴柔性铰链和双轴柔性铰链两大类。在微位移机构中广泛用于制作微动工作台的柔性导轨、支承等。用柔性铰链制作的微位移机构,具有很高的位移分辩1 nm、定位精度±0. 05μm和重复精度,工作稳定、无机械摩擦、无间隙、无爬行和体积小等特点;柔性铰链支承微动机构是近年来发展起来的一种新型的微位移机构,是一种很有应用前景的微位移器件。系统采用柔性铰链为导轨形式, 传递微位移驱动器输出的位移, 它具有体积小、无机械摩擦、导向精度高、加工精度易于保证、不需要装配等特点。

陈时锦, 杨元华, 孙西芝, 程凯[1] 研究了针对于一种常用的以双柔性平行四连杆机构作导向的二维微位移工作台, 分析并推导出了工作台结构参数对各性能的影响公式, 并用有限元分析的方法验证了这些公式的正确性。之后建立了约束优化问题的数学模型, 以具体实例介绍了用有限元分析的方法进行优化求解, 得出最优设计参数的过程。

黄金永, 魏燕定, 张炜[3] 研究了空间微动平台的柔性铰链参数优化设计。结合空间微动平台的特点: 轻量化、小尺寸、尽可能高的一阶共振频率, 以及满足平台工作行程、驱动器推力大小、和材料许用应力等要求, 通过对柔性铰链公式的详细分析, 给出了这类微动平台的设计流程和实例演示, 同时也有助于我们理解柔性铰链各参数间的作用和相互关系。

张建雄, 孙宝元[5] 研究了基于柔性铰链结构的二维微动工作台，介绍了基于压电陶瓷驱动器( PZT) 驱动的二维微动工作台。该微动台采用双柔性平行四连杆结构,运用参数化的分析方法求得铰链各尺寸对微动台固有频率、应力以及刚度的影响, 将理论分析、有限元计算和试验测试的结果相结合, 提出了一种微动台的设计方法。

田延岭，张大卫，闫兵[6] 研究了二自由度微定位平台，研制了一台压电陶瓷驱动和弹性铰链导向的一体化微定位平台, 该微定位平台具有高刚度、高响应速度和高分辨率等优点。为了克服压电陶瓷驱动器伸长量较小的不足, 采用杠杆放大机构增加微定位平台的位移输出。考虑驱动电路的影响, 建立了微定位平台的机电耦合模型。通过试验研究了微定位平台的静动态特性, 试验结果表明微定位平台的分辨率为5 nm, 固有频率分别为143 H z 和180 H z。该微定位平台可应用于纳米级的微定位。

高鹏，袁哲俊，姚英学[8] 研究了基于柔性铰链结构的新型双向微动工作台。图1为所研制工作台的结构示意图, 各连接处都为柔性铰链结构。该工作台内外层都是四支点支承的对称结构, 内层(x向) 工作台刚性嵌套在外层(y向) 工作台内, 分别采用二个压

电陶瓷驱动, 实现二维运动。该工作台有两级放大机构。由于采用二级杠杆放大结构, 所以该双向微动工作台满足各类宽范围扫描高精度定位场合的要求。

图1 工作台结构示意图

微位移技术是精密机械和仪器实现高精度的关键技术之一。微位移技术由微位移机构、检测装置和控制系统三部分组成,它的行程小、灵敏度和精度高,主要用于提高运动的灵敏度和精度。近年来得到迅速发展, 成为现代机械工业的基础。目前,主要应用在精度补偿、微进给及精密调整三方面。

参考文献

[1]陈时锦, 杨元华, 孙西芝, 程凯. 基于柔性铰链的微位移工作台性能分析与优化设计[J]. 机械设

计, 2004, 21(7): 46-49

[2]关耀奇, 陈蓉玲. 柔性铰链在精密和超精密加工中的应用与研究[J]. 机械设计, 2003, 20(3):

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[3]黄金永, 魏燕定, 张炜. 空间微动平台的柔性铰链参数优化设计[J]. 机电工程, 2006, 23(1):

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[4]纪海慧, 钱进. 基于柔性铰链的精密定位平台的设计[J]. 机床与液压, 2007, 35(11): 62-64

[5]张建雄, 孙宝元. 基于柔性铰链结构的二维微动工作台的设计分析[J]. 压电与声光, 2006,

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[6]田延岭, 张大卫, 闫兵. 二自由度微定位平台的研制[J]. 光学精密工程, 2006, 14(1): 94-99

[7]刘品宽, 孙立宁, 曲东升, 荣伟彬. 新型二维纳米级微动工作台的动力学分析[J]. 光学精密工程,

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