微位移机构研究现状
基于柔性铰链的桥式微位移机构特性探析
基于柔性铰链的桥式微位移机构特性探析ﻭﻭ全柔性机构是一种新型机构,通过采用免安装、无间隙和无摩擦的设计方式可实现微米级甚至纳米级的高精度。
为了达到精密运到的目的,全柔性机构多采用高精度的微位移驱动器。
压电陶瓷驱动器是近年来应用越来越新型微位移器件，它具有体积小、出力大、分辨率和频响高的优点，且不发热、无噪声.然而压电陶瓷驱动器的输出位移仅限制在在几微米到几十微米范围，因此全柔性机构通常要采用微位移放大机构来实现对压电陶瓷输出位移的放。
目前，常用的微位移放大机构主要有杠杆原理放大机构和桥式放大机构.ﻭ基于杠杆原理的微位移放大机构结构简单、刚性好、功效比高，理论上可以实现输入输出的线性关系，但是其一级放大倍数是有限的，复合式杠杆放大机构体积较大、放失真严重。
ﻭ而根据放大原理设计的桥式放大机构具有结构紧凑、易于加工以及具有较高的放大倍数等特点，近些年来得到了关注。
ﻭJuｎHyuｎg Kim等人采用矩阵法建立了柔性链的刚度矩阵并对桥式放大机构进行了优化设计；马洪文等人采用弹性梁理论分析了微位移桥式放大机构的放等特性。
N. Loboｎt ｉu等人基于应变能原理与卡氏第二定理推导了桥式放大机构的位移和刚度计算公式。
张兆成等人采用了伪刚体模型和卡氏第二定理研究了桥式柔性链的刚度和应力模型。
本文采用解析法建立了桥式放大机构的变形公式,在所建模型的基础上,进一步分析了桥式放大机构的刚度、放等特性，采用AＮＳYＳ软件进行仿真,并设计了相关的验证实验。
1 桥式放大机构数学模型柔性桥式微位移放大机构是在一块金属材料上采用线切割技术整体加工而成。
为了保证良好的导向性能，桥式微位移放大机构通常设计成全对称结构，并要求其在运动方向上具有良好的灵敏度，同时在整体上还应具备一定的刚度。
桥式微位移放大机构采用全对称设计,其由4个柔性支链组成,因此对桥式微位移放大机构特性的分析可以简化为对其柔性支链的特性分析，柔性支链的数学模型。
ﻭ为便于分析，作如下假设:ﻭ1)除柔性链外，柔性机构的其他部分均为刚体;ﻭ2）材料为均匀的各向材料；3)柔性桥式微位移放大机构是全对称的；4）柔性链的变形是线弹性的，且弹性变形相对较小。
微位移技术
微位移技术第一章概论第二章微位移机构第三章柔性铰链第一章概论作为精密机械与精密仪器的关键技术之一一微位移技术，近年来随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速的发展起来。
例如用金刚石车刀直接车削大型天文望远镜的抛物面反射镜时，要求加工出几何精度高于l/l0光波波长的表面，即几何形状误差小于0.5u m。
计算机外围设备容量磁鼓和磁盘的制造，为保证磁头与磁盘在工作过程中维持1um的浮动气隙，就必须严格控制磁盘或磁鼓在高速回转下的跳动。
特别是到20世纪70年代后期，微电子技术向大规模集成电路和超大规模集成电路方向发展，随着集成度的提高，线条越来越微细化。
256K动态RAM线宽已缩小到1.25um左右，目前己小于0.1um，对与之相应的工艺设备(如图形发生器、分步重复照相机、光刻机、电子束和X射线曝光机及其检测设备等)提出了更高的要求，要求这些设备的定位精度为线宽的1/3~1/5，即亚微米甚至纳米级的精度。
生物工程是当今一门崭新的学科，现代科学的发展要求，随意捕捉和释放单一游离细胞，或向细胞注入和拾取某一成份，同时还能测定和记录细胞生物的电参数，因此研制满足这一要求的设备同样离不开微位移技术。
随着机器人技术的发展，机器人精微操作已成为机器人研究领域中的重要课题之一，如用机器人完成精密伺服阀，压电陀螺等精密零部件的装配作业，其技术关键之一是微位移技术的研究.[1]因此，微位移技术是现代工业基础的重要组成部分，它几乎左右着上述各领域的发展，并引起国外研究人员的极大关注，他们加紧了这方面的研究，并取得了很大进展。
由于定位技术的水平几乎影响着整个设备的性能，因此直接影响到微电子、宇航、生物工程等高科技技术的发展。
例如精密仪器，无论是大行程的精密定位，还是小围的光学对准，都离不开微位移技术。
因此微位移技术，成为现代精密仪器工业的共同基础。
1.1国外现状及发展趋势美国LLN以美国知名核聚变实验室)研制的加工大口径光学元件的金刚石车床(LODTM)是目前世界上能进行最高精度切削加工的车床，其所用的快速刀具伺服机构采用了PZT(错钦酸铅压电瓷)，能在士1.27um围分辨力达到2.5nm，频率响应可达到IOOHz;日本日立制作所采用柔性支承导轨、压电晶体驱动方式的微位移机构的位移精度为士0.05um，行程为士8um，该机构已成功应用于电子束曝光机;中国国防科技大学采用柔性支承导轨、电致伸缩驱动方式的微位移机构的分辨力为0.01um，行程为20um[4]。
机构运动精度可靠性研究现状
机构运动精度可靠性研究现状机构运动精度可靠性是影响产品质量、寿命的关键因素且已成为衡量机构运动性能的重要指标，文章对机构运动精度可靠性的研究现状进行了分析，并介绍了目前求解机构可靠度新方法及其应用。
标签：机构运动精度；可靠性；现状1 概述机构是传递运动和动力的可动装置，它是機械装备的特征骨架和执行器[1]。
机构的运动和动力性能直接关联着整个机械装备的品质和功能，提高机构的运动于动力性能一直是学者们的研究重点。
传统机构学将机构的概念局限于仅含刚性构件、理想运动副（无间隙或柔性）、构件尺寸绝对精确的机构系统。
然而，真实机构系统具有多种内外部不确定性（如几何公差、运动副间隙与磨损、构件物理参数如密度与弹性模量、工作载荷等的随机性）[2]，这些不确定性对机构运动学与动力学性能有着不可忽视的影响，传统的以确定性参数为基础的机构学研究不能描述上述特征。
技术发展对机构的高精度、可靠性等提出了更高的要求。
机构运动精度可靠性研究是在特定的工作条件和时间内，真实机构的运动输出与理想机构运动输出之间的偏差落在期望误差限范围内的概率。
受不确定性影响，真实机构与理想机构的运动必然存在不确定性或随机偏差，即使这些内外部不确定性很小，但在机构设计时如果不加以考虑或考虑不充分，也可能会造成很大的机构输出的不确定性，进而导致机构运动精度下降、动作不可靠、定位不准确以及动力性能不佳，从而使整个机械装备的功能丧失、性能下降、故障率上升、寿命缩短和用户满意度下降等。
如1978年美国发射的陆地卫星2号由于偏航飞轮失效而导致整星失效，1987年德国发射的TVSAT卫星进入轨道后一翼展开而另一翼卡主而导致整星灾难。
因此，在机构系统设计中必须考虑内外部的不确定性具有相当的必要性和重要性。
但这是确定性设计方法难以胜任的，因此须采用不确定性工程设计理论与方法研究机构的运动输出与不确定性之间的内在联系和规律以及对应的机构设计与分析理论。
2 可靠性方法可靠性方法是处理不确定性因素最为有效的途径[3]。
微位移机构研究现状
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
微型机械制造、超精密加工
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
生物工程方面
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
微驱动技术发展及应用
哈尔滨工业大学博实精密测控有限责任公司 2002年8月
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
基于柔性铰链的微位移机构的设计与分析
黄志威 梅 杰 明廷 鑫 胡吉 全 陈定 方
武 汉理 工大 学物 流工程 学院
摘
武汉 ４ ３ ０ ０ ６ ３
要 ：针 对传 统 机 械 式 微 位 移 机 构 无 法 实 现 高 精 度 定 位 的 问 题 ，采 用 半 圆 型 柔 性 铰 链 设 计 了 一 种 反 对 称
ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｃ ａ ｎ ａ ｍｐ ｌ ｉ ｆ ｙ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎｐ ｕ ｔ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎｔ ａ ｎ ｄ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｆ ｏ ｒ ｍ ｉ ｔ ｉ ｎ ｔ ｏ ａ ｎｇ ｕｌ ａ ｒ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｆ ｏ ｒ ｏ ｕｔ ｐｕ ｔ ．Ｔｈ ｅ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｓ ｉ ｔ ｓ ａ ｎ ｇ ｕ ｌ ａ ｒ ｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎｅ ｓ ｓ， ｓ ｔ ｒ ｕｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｔ ｙ ｐｅ， ｓ ｔ ｕｃ ｒ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ， ａ ｎ ｄ ｏ ｕ ｔ ｐ ｕｔ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ． Ｔｈ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ Ａｎ —
性铰 链与 传统 铰链 相 比，具有 无 间隙、无 摩擦 、
运动 灵敏 度 高 等优 点 。但 传 统 铰 链 允 许 较 大 的相 对转 动 ，而 柔 性 铰 链 只允 许 很 小 的相 对 转 动 。在 精密 工程 中 ，基 于 柔 性 铰 链 的柔 性 放 大 机 构 作 为 微位 移放 大器 ，可 将 压 电 陶瓷 驱 动 器 的 输 出位 移 放大 到几 十甚 至几 百 微 米 ，以实 现较 大 行 程 范 围 内的精密 位移 驱动 。 柔性 放大 机构 有 多种 放 大原 理 ，如桥 式 原 理 、
微位移技术
与压电驱动相比， 电致伸缩 驱动具有 %） 滞后小， 瞬时 !） 稳定性好， 位移重复性好， "） 热膨胀系数很小等特点。 $） 本 研 究 以 12（ 34% 0 " 陶瓷制 52! 0 "） 6（简称 735） " 作电致伸缩驱动器， 其应变 （ ! ）# 场强 （ "） 特性如图 " 所示， 从曲线可见， 增程 （场 图 " 铌 镁 酸 铅 陶 瓷 应 变 强增加） 与回程 （场强减少） （ !） （ "） 特性 # 场强 不重合， 但滞后量较小仅 8 ( 场强减小至零后， 无残余应变； 在 %&&&+ 0 ’’ 电场 ,* ； 驱动下， 其应变 ! . % ( &* - %& # " ， 由式 （ "） 可得电致伸 #9 缩系数 & . % ( &* - %& （无压电效应， 故 ) . &） 。 叠层驱动器是将电极与电致伸缩陶瓷烧结为一整 体如图 $: 所示， 每层既为一平板电容器， 图 $2 是驱动 器等效电路， 故驱动器的总电容 + ! 为： 0 - !& !/0・ !/ .!& （$） . ! ! .! （ ;） ； 式中： , 为层数， + 为一层的电容 . 为极板间距 ! （’） ； ! 为驱动器工作中的最大应变为 % ( &* - %& # " ； 0 + ! . ,・+ . !! . 为极板面积； - 为驱动器行程； !/ . %8%&& 为材料的介 # %! ! ! ・ 为真空介电常 电常数， ’（ 0 =4 ’"） !& . , ( ,* - %& < ・ 数。平板电容器内部场强 " 与极板上的驱动电压 1 的关系为 1 . ". ， 根据式 （"） ， 可得： ! . &"! . & 则， 1. 1! .! （*）
精密微动工作台二维微位移机构的设计研究
ｉ ａｔ ｆｃ ｉ ｎｄ Ｓ ｎ．． ｏｎ ａ Ｏ ｏ
Ｋｅ ｒ ｓ：ｍ ｉｒ — ｄ ｓ ｌｃ ｙ ｗｏ ｄ ｃｏ ｉｐ ａ ｅｍｅ ｓ ｎｔ ｗｏｒ ｔ ｂ ｅ ； ｉｖ ｎｇ ｗｉｈ ｅｅ ｔｏｓｒｃｉ ｅ ｃ ｒ ｍ ｉｓ ｆｅ ｉ ｌ ｍｅ ｋ ａ ｌ ｄｒ ｉ ｔ ｌ ｒ ｔｉ ｔｖ ｅ ａ ｃ ； ｘ ｂｅ ｇｅ ｌ ｃ ｌ
分 析 了 为 消 除 机 构 间 隙 和 工 作 台爬 行 ， 高 定 位 精 度 和 响 应 速 度 所 采 取 的 技 术 措 施 ： 致 伸 缩 陶 瓷 驱 提 电
动、 柔性 铰 链 与杠 杆 放 大 一体 化 结 构 等 。
关 键 词 ： 动 工 作 台 ； 性 铰 链 ； 致 伸 缩 陶 瓷 微 柔 电
ｐｒ ｖ ｒ ａｂｅ ｏ ｉｎｔ ｔｏｎ ｐｒ ｉｉｎ ａｎ ｅ ｐ ｎｓ ｏ ｅ ｗｏ ｋｔ ｌ ｒｅ ａ ｉ ｅ ｓｏ ｄ ｒ ｓ ｏ ｅ． Ｔｈ ｙ ａ ｅ ｆｅ ｉ ｌ ｅｍｅ ，ｄｒｖｎｇ ｗｉｈ ｅ ｅ ｔｏｓｒｃｔｖ ｅ ａｍｉｓ，ｌｖ ｒ ｍａ ｉ ｃ ｅ ｒ ｘ ｂｅ ｇ ｌ ｌ ｉ ｉ ｔ ｌ ｒ ｔｉ ｉ ｅｃ ｒ ｃ ｃ ｅ ｅ ｇｎ —
滚 珠 丝 杆 驱 动 、 动 导 轨 支 承 。 要 实 现 亚 微 米 级 的 定 滚
作为 驱 动器 ， 图 １ 如 所 示 。其机 构 原 理 如
5 微位移技术
静态特性：指微动工作台的输入位移 x 不随时间变
化时的特性。静态特性主要取决于驱动器的特性。
迟滞现象
5.5 微动工作台的设计及特性 ——动态特性分析
动态特性：指微动工作台的输入位移x按正弦变化时
的特性。
要避免系统在刚度极小值（谐振频率）附近工作，
引起共振，给系统带来很大的误差或是破坏。
5.6其他类型的微位移机构 ——电热式微位移机构
（2）滚动导轨-压电器件驱动
5.1 概述 ——常用微动工作台
（3）平行弹簧-机械式位移驱动
X Xi
？
5.1 概述 ——常用微动工作台
（3）平行弹簧-机械式位移驱动
杠杆 支点 杠杆 支点
杠杆 支点
5.1 概述 ——常用微动工作台
（3）平行弹簧-机械式位移驱动
5.1 概述 ——常用微动工作台
（4）平行弹簧-电磁或电致伸缩驱动
5.2压电、电致伸缩器件 ——压电、电致伸缩效应
（4）四类压电振动模式
压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都具有这4类模式。
5.2压电、电致伸缩器件 ——压电、电致伸缩效应
电致伸缩效应与逆压电效应的区别
（1）电致伸缩效应与场强成二次方关系，曾被称为“二次 方压电效应”，且与其方向无关。逆压电效应与场强成正 比，且与其方向有关。 （2）逆压电效应仅在无对称中心晶体中才有，而电致伸缩
效应是所有的电介质晶体都有。
（3）外电场所引起的压电体的总应变为逆压电效应与电致 伸缩效应之和。
5.2压电、电致伸缩器件 ——压电、电致伸缩效应
电致伸缩效应与逆压电效应的区别
（4）一般电致伸缩所引起的应变比压电体的逆压电效应小 几个数量级。某些高介电常数的铁电体，电致伸缩效应引 起的应变较大。 （5）压电效应与晶体的温度有关，存在一个相变温度（居
柔性压电式微位移机构动态特性的实验研究
１ 引 言
微位 移技 术是 精密 机械 与 精 密仪 器 的关 键 技 术 之一 。 航 天 、 物 学 、 学 、 电 子 学 等 领 域 有 着 在 生 光 微
广 泛 的应用前 景 。微 动 工作 台 多采 用 压 电 陶瓷 驱 动 器， 因为 它具 有位移 分 辨率 高 、 积小 、 体 响应 快 、 出 输
２ 柔 性 压 电式 微 位 移 机 构 设 计 分 析
２ １ 微位 移放 大原 理 ．
图 １ 一二 级微 位移 放 大 机构 原 理 图。 当在 杠 是
杆 Ｌ 上 的 点施 加 一个 绕 Ａ转 动 的微 位 移 １ ， １ 时
杠 杆 Ｌ 将 绕 Ｄ 转动 ， ｃ点 、 点产 生 微 位 移 ２ ２ 在 Ｅ ， 同时在 Ｆ点 处拉 动工 作 台 ｓ产 生微 小位 移 ， 点 处的输入微位 移经过杠杆 Ｌ 和 Ｌ 的 二 级 放 大作 用 ， 工作 台处 得到 放大 ， 大倍数 为 ： 在 放
一
般微 操作 都要 求行 程在 １０ ０ ｍ 以上 。 因而 ， 多 很
微位移 机 构 都 采 用 杠 杆 式 柔 性 铰 链 微 位 移 放 大 机
构 。但 对位 移 进 行 放 大 的 同时 ， 极 大 地 加 剧 了压 也 电陶瓷 的蠕 变 、 滞 和非线 性 对 位移 精 度 的 影 响 ， 迟 大 大 降低 了机 构 的定位 精度 。压 电 陶瓷驱 动 器 的 非线 性不仅 与 材料 的非 线 性 、 蠕变 、 后 等 因素 有 关 ［ ， 滞 ２ ］
微 细 加 工 技 术
２０ 芷 ０８
Ｘ ＝（ ＋Ｅ
） ‘ ２
Ｔ （ ＋Ｂ （ ＋ １ Ｃ） １
柔性铰链微位移放大机构的研究
柔性铰链微位移放大机构的研究张远深;刘晓光;张园成;赵庆龙;於又玲【摘要】针对积层式压电驱动器的输出位移行程过小的缺点,提出了一种柔性铰链微位移放大机构.从理论出发对单轴柔性铰链进行分析,建立转角刚度的数学模型,得到相应的结构参数对其性能的影响规律和理论上的解析表达式,利用有限单元法对理论模型进行对比验证,得出单轴柔性铰链设计的一般规律.为压电伺服阀阀芯运动机构的设计奠定了基础.%A mechanism of magnifying micro displacement by using flexure hinges is proposed. Then the design method and the corresponding design parameters on the performance of one-axis flexure hinge are discussed. The model using the finite element method,is established and the general rale of one-axis flexure design is obtained. The work is useful for the application in the mechanism of the piezoelectrical servo valve.【期刊名称】《甘肃科学学报》【年(卷),期】2011(023)002【总页数】4页(P99-102)【关键词】柔性铰链;力学模型;有限元方法【作者】张远深;刘晓光;张园成;赵庆龙;於又玲【作者单位】兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TH123微位移技术是精密机械与精密仪器的关键技术之一，在航天、生物学、光学、微电子学等领域有着广泛的应用前景[1，2].在机械式位移技术中，由于存在着较大的间隙和机械摩擦，致使运动灵敏度和定位精度都很难达到很高的要求.而柔性铰链式微位移机构具有解雇紧凑、体积小、无机械摩擦、无间隙、无爬行、机械谐振频率高、抗震动干扰能力强等优点，采用压电驱动器进行驱动则很容易实现高分辨率的位移.柔性铰链是柔性铰链微位移放大机构设计的关键.在总结现有的柔性铰链微位移放大机构的基础上[3－8]，提出了单轴柔性铰链的设计分析方法，得出单轴柔性铰链设计的一般规律.单轴转动柔性铰链，其参数结构如图1所示，由力矩Mz引起的柔性铰链扭转变形为θ，由于柔性铰链实际角位移非常小，可认为θ＝tanθ，曲线斜率可得到铰链转角分析单轴柔性铰链的变形，实际上是由许多微小段弯曲变形累积的结果，每个微小段可以认为是长度为dx的等截面矩形梁，而且作用在微小段两侧面的弯矩也是相等的，根据材料力学，可得铰链中性面曲率半径公式其中E为材料的弹性模量；M（x）为微小段dx上的弯矩；J（x）为微小段dx的截面对中心轴的惯性矩.由于实际结构中柔性铰链的全长通常为2R，较结构中其他尺寸小，所以可以认为柔性铰链所受弯矩变化不大，可以把M（x）看作常数.曲线y＝f（x）上任意一点的曲率为在单轴柔性铰链的实际应用中，弯曲变形产生的挠度大于铰链的全长，所以转角θ≪1，因此联合公式（1）、（2）、（4）可得因为柔性铰链的全长2R比其他尺寸小，所以可以认为铰链的弯矩变化不大，即可把M（x）看成常数.将式（5）中直角坐标系变换成极坐标，相应地，可得单轴柔性铰链转角刚度kb公式为其中R为柔性铰链圆弧缺口的半径；T为柔性铰链的宽度；t为柔性铰链的最小厚度.根据式（7），将弹性模量E、柔性铰链宽度T、缺口半径R以及最小厚度t带入式中作积分，即可得出柔性铰链的转角刚度.由此可以看出柔性铰链的转角刚度与其结构参数密切相关，为了更为直观地理解各结构参数与转角刚度之间的关系，计算并分析了圆弧缺口半径R、最小厚度t对柔性铰链刚度kb的影响，计算结果如图2所示.该算例选择材料（铍青铜，QBe2）与结构的具体参数为由图2知，最小厚度增大，转角刚度增大；缺口半径增大，转角刚度减小.在实际应用中，由于结构尺寸的限制，柔性铰链缺口半径通常＜5mm，因此本算例中，可以看出R＜5mm，t＞0.5mm的范围内，柔性铰链具有较大的转角刚度，在设计中应避免其结构尺寸落在该范围内，使得铰链具有较小的转动刚度，减小其机械阻抗，有利于提高放大倍率.计算并分析了铰链宽度T、最小厚度t对柔性铰链刚度kb的影响，计算结果如图3所示.该算例选择材料（铍青铜，QBe2）与结构的具体参数为由图3知，转角刚度随铰链宽度T的增大而线性增加，最小厚度t在满足强度要求的前提下尽量选择较小值.在解析法建模的过程中，只考虑到柔性铰链受到弯矩载荷的情形.实际上，铰链存在转动的同时，存在一定的压缩和拉伸变形，而且还受剪切力的作用，不可避免的产生计算结果与实际值之间的误差.通过有限单元法建立单轴柔性铰链的数值模型，通过施加载荷与约束，使其模拟实际柔性铰链的工作状态，可以得出与实际值更为接近的计算结果.通常，通过计算铰链在外力作用下的位移来计算柔性铰链的转角刚度kb，得式中M为柔性铰链所受转矩，θ为柔性铰链的转角；F为柔性铰链所受力；L为柔性铰链所受力的力臂长度；D为受力点的位移.首先，建立柔性铰链的三维实体模型，结构参数如图4所示，包括柔性铰链半径R、最小厚度t、铰链宽度T以及铰链厚度B.在柔性铰链的解析法建模中只考虑了前3个结构参数，没有将厚度B考虑在内，即假设柔性铰链以外的部分为刚性.而在有限单元建模分析中是通过建立实际尺寸的实体模型，再施加简化了的实际约束条件，计算得出各节点的计算结果，因而考虑到更多的结构参数，其计算结果更接近于真实值.然后，进行定义单元类型、定义材料属性、划分网格、施加载荷约束以及求解计算等步骤.求解并计算出各组柔性铰链刚度值后再应用解析法计算出同样参数下的刚度值，同有限元法计算的结果进行对比研究.对柔性铰链进行有限元分析，首先确定柔性铰链的具体结构参数，具体数值如下：模型一端为固支，另一端施加20N的力载荷，计算该端的位移量，由公式M＝kbθ可得柔性铰链的转角刚度.通过对不同中心厚度t的柔性铰链刚度的对比可知，应用解析法和有限元法的计算结果有一定的差别.2种方法计算结果的比较如图5所示.在最小厚度t＜0.7mm范围内二者十分吻合.最小厚度t＞0.7mm时，有限元法计算的刚度值低于解析法，原因是解析法建模时未考虑中心偏移以及柔性铰链圆弧以外部分的刚度.随着最小厚度的增大，t值与柔性铰链厚度B的比值越来越大，当t 与B的比值＞0.1时，有限元模型圆弧部分与圆弧以外部分的刚度比较接近，整体发生挠曲变形，造成较大的挠曲变形，导致柔性铰链的刚度降低.由图5还可以分析出，增大铰链厚度t可较为明显地提高转角刚度.柔性铰链R由0.25mm变化至2.5mm时，有限元分析结果与理论结果对比有较大的差异，如图6所示.理论分析计算的结果是转角刚度随圆弧半径R的增大而减小；有限元分析的结果为转角刚度在一定的范围内波动，没有明显的变化趋势，其原因是理论计算中认为铰链的弯矩变化不大，柔性铰链所受的弯矩M（x）看成常数.而在有限元分析中，随着圆弧半径的增大，与力臂长度L的比值由0.03增至0.3，因而在圆弧弧段内弯矩变化较为明显.若将M（x）看成常数，势必导致一定的计算误差.有限元分析的结果较为接近实际情况，由此可以看出柔性铰链圆弧半径对柔性铰链的转角刚度影响较小.通过对单轴柔性铰链转角刚度的分析，建立单轴柔性铰链的力学模型，得到相应的结构参数对其性能的影响规律，利用有限元分析法对理论模型进行对比验证，得到单轴柔性铰链设计的一般规律，为压电伺服阀阀芯运动机构的设计奠定基础.【相关文献】[1]Renyi Yang，Musa Jouaneh，Rudolph Sch-weizert.Design and Characterization of a Low-profile Micropositioning Stage[J].Precision Engineering，1996，18（1）：20-29. [2]Smith T S，Badmi V G.Elliptical Flecure Hinges[J].Revsci Instrum，1997，68（3）：1 474-1 483.[3]林洁琼，王磊，李迎春，等.基于有限元的柔性铰链微位移放大机构设计[J].机床与液压，2009，37（10）：21-23.[4]张定会.采用柔性铰链实现微位移的方法研究[J].仪表与自动化装置，1999，29（5）：11-13.[5]张志杰，袁怡宝.单边倒角形柔性铰链的计算与性能分析[J].光学精密工程，2007，15（3）：384-389.[6]张志杰，袁怡宝.单边椭圆柔性铰链的计算与性能分析[J].机械设计与研究，2007，23（1）：50-53.[7]Lobontiu N，Paine J S N.Corner-filleted Flexure Hinges[J].Mech Design，2001，123（3）：346-352.[8]吴鹰飞，周兆英.柔性铰链的设计计算[J].工程力学，2002，19（6）：136-140.。
基于柔顺机构的两自由度微位移精密定位平台的分析与设计的开题报告
基于柔顺机构的两自由度微位移精密定位平台的分析与设计的开题报告一、选题背景和意义微位移定位平台作为微纳加工、精密电子传感、药品试验等领域中的重要设备，已经得到广泛的应用。
目前，微位移定位平台的精度、分辨率、速度等方面的要求越来越高，对其结构设计、控制算法等方面提出了更高的要求。
因此，基于柔顺机构的两自由度微位移精密定位平台的研究具有重要的现实意义和科学价值。
二、研究内容和思路本文将围绕基于柔顺机构的两自由度微位移精密定位平台展开研究。
具体内容包括：1. 综述国内外相关研究现状。
分析微位移定位平台的发展历程、应用领域，重点介绍国内外柔顺机构在微位移定位平台中的应用实例。
2. 设计柔顺机构的结构参数。
基于冗余约束的原理，根据定位精度、稳定性等要求，确定柔顺机构的结构参数并进行仿真分析。
3. 编写柔顺机构的运动控制算法。
结合实际系统的特点，采用PID控制或模糊控制等算法，实现对柔顺机构运动的精准控制。
4. 实现柔顺机构的机械结构加工和装配工作。
根据设计要求，利用CAD等软件完成机械结构的设计，利用加工中心、数控车床等设备进行加工，最后进行装配和调试。
5. 实验验证柔顺机构的性能表现。
进行基本的定位、精度、稳定性等实验，测试柔顺机构的性能表现，并与传统的微位移定位平台进行比较分析。
三、预期成果通过本文的研究，预计可获得以下成果：1. 完整的基于柔顺机构的两自由度微位移精密定位平台的设计方案，包括机构结构和控制算法等。
2. 实现柔顺机构的机械结构加工和装配工作。
3. 对柔顺机构进行系统实验，验证其定位精度、稳定性等性能表现。
4. 发表相关学术论文，提交专利申请等。
四、研究进度安排1. 第一阶段：综述国内外相关研究现状。
2. 第二阶段：设计柔顺机构的结构参数，进行仿真分析。
3. 第三阶段：编写柔顺机构的运动控制算法。
4. 第四阶段：实现柔顺机构的机械结构加工和装配工作。
5. 第五阶段：进行柔顺机构的性能测试和实验验证。
微位移技术
对于外加控制电压，压电陶瓷相当于一个微法级 平行板电容器；每层之间粘结剂的弹性变形都对 输入输出有相当的影响所以并不是完全的平方关 系。 压电伸缩型陶瓷具有较大迟滞和蠕变、响应快和 温度对性能影响小等特点，而电致伸缩型陶瓷具 有较小的迟滞和蠕变的特点，但在响应时间及温 度对性能的影响等方面较电致伸缩型陶瓷差。
一、微位移技术介绍
微位移技术是超精密加工及检测中的一项关键 技术。
微位移技术包括：微位移机构、检测装置和控
制系统。
微位移机构 检测装置
控制系统
微位移机构：微位移机构是指行程小(一般小于
毫米级)、灵敏度和精度高(亚微米、纳微米级) 的机构。是微位移系统的核心。
检测装置：用传感器按一定规律将微位移机构
二、微位移机构
组成：微位移驱动器、微动工作台 作用：既可以作为微进给和微调节部件，也可作为工
艺系统动、静态误差补偿的关键部件。 分类： （1）直线电机式微位移机构 （2）机械传动式微位移机构 （3）扭转摩擦传动式微位移机构 （4）弹性变形传动式微位移机构 （5）压电元件与电致伸缩式微位移机构 （6）热变形式微位移机构 （7）磁致伸缩式微位移机构
微位移技术国内外的现状
随着纳米技术的地位在不断的攀升，发达国家都在纳米 技术的研究上投入了大量的资金和人力。美国国家关键技术 委员会将纳米技术列为政府重点支持的22项关键技术之一； 日本把纳米技术作为ERATO计划中6项优先高技术探索项目 之一；英国国家纳米技术(NION)计划已开始实行；欧洲的其 它国家也不示弱，把纳米技术列入了“尤里卡计划”。 美国LODTM机床上用的快速刀具伺服机构在±1. 27μm范 围内分辨率可达2. 5nm,频响可达100Hz;日本日立制作所采用 柔性支承导轨、压电驱动方式的微位移机构的位移精度为 ±0. 05μm,行程为±8μm,该机构均成功应用于电子束曝光机。 哈尔滨工业大学采用柔性支承导轨、步进电机驱动方式的微 位移机构的位移精度为±0. 05μm,分辨力为0. 01μm,行程为 20μm;国防科技大学采用柔性支承导轨形式、电致伸缩驱动 方式的微位移机构的分辨力为0. 1μm,行程为20μm。
纳米级微动工作台的研究现状及发展趋势
基金项 目： 国家 自然科学基金项 目（０ ７ １８６ ５ ５ ５ ） 浙江 省自然科 学基金青年人 才项 口（ ５ ３ ９ ） ５２５３ 、 ７０５ ， ０ Ｒ ０ １７
作者简介：雷 勇（ ９ ９一 ） 男 ， １７ ， 四川 内江人 ． 硕士研究生 ． 研究方 向为微运 动技术 。
综述， 对现有的 纳米级微 动工作 台的工作原理 、 性能特点和 可实现的运动 范 围及精 度进行 了分析 比较 ， 此基础上 。 在 对纳米级微 动工作 台的发展趋 势做 了展 望。 关键词 ： 米科技 ； 纳 磁悬浮 ；微动 工作 台 ；高精度 ；大范 围
中图分 类号 ： Ｈ１３ ３ Ｔ ３ ． 文献标识码 ： Ａ
维普资讯
第 １期
雷 勇等： 纳米级微动工作台的研究现状及发展趋势
７ ３
移器 上施 加 电压时 ， 由于 四连 杆受 力 而变形 ， 得两个 方 向的 获 微 位移 。其优 点如 上所 述 ， 可 以在单 层上 实 现 两 个 方 向的 但 微动。
最 大工作 速度 为 ４ ｍ ／ ， ０ ｍ ：定位 精度 ± ． ｍ。 ｓ ０１
１３ 滑动 导轨式微动工作台 ．
典 型的采用 两级 丝杆 驱 动滑 动导 轨实现 微 位移原 理 示 意
图 １ 单 层 — Ｙ弹性 微 动 上 作 台
图¨ 见图３ 第一级用交流 电机驱 动的丝杆 机构可 以达 ， 到 ± ． Ｔ的定位精度 ， ０５ ｌ ｌ 通过二级 制动器对第 一级位置 误 差进行 补偿 ， 可实现 ±ｌｍ 的定 位精度 。 ｎ
１２ 滚 动导轨 式微 动二 台 ． ［ 作
滚动导轨也是微动工作台中一种常见 的导轨形式 ， 它具 有行程大， 运动灵活 、 结构简单 、 工艺性好 、 容易实现较高的定 位精度的优点 ， ２为采用滚珠导轨作 为微动工作 台的支承 图 和导 向元件， 直流伺服电机传动 、 实现了对 自动分步重复光刻 机 的微定 位控制 ¨ 。该微 动 台运 动范 围为 、 向 １０ ｍ， Ｙ方 ５ｍ
柔性对称微位移放大机构性能分析方法的研究
Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｎ ｔ ｈｅ ｐｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎｃ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｍｅ ｔ ｈｏ ｄ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｃ ｏ ｍｐ ｌ ｉ ａ ｎ ｔ ｓ ｙ ｍｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｍｉ ｃ ｒ ｏ － ｄｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎｔ ｍａ ｇ ｎｉ ｆ ｙ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎｉ ｓ ｍ
柔性 对 称 微 位 移放 大 机 构 性 能 分析 方 法 的研 究
刘庆 玲
（ Ｉ Ｓ坊 师 范 学 院 数 学 与 信 息 科 学 学 院 ， 河北 廊坊 ０ ６ ５ ０ ０ ０ ）
摘
要： 柔 性 铰 链 微 位 移 放 大 机 构 的性 能 分 析 ， 通 常采用柔 度静力学 分析方 法 ， 该 方法分析 过程复杂 ， 柔 度 计 算 量
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔｈｅ ｃ ｏ ｍｐｌ ｉ ａ ｎｃ ｅ ｓ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｓ ｍｅ ｃ ｈａ ｎ ｉ ｃ ｓ ａ ｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｍｅ ｔ ｈｏ ｄ ｉ ｓ ｇｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｌ ｌ ｙ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ａ ｎａ ｌ ｙ ｓ ｅ ｔ ｈｅ ｐｅ ｒ — ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎｃ ｅ ｏｆ ｔ ｈｅ ｃ ｏ ｍｐｌ ｉ ａ ｎｔ ｓ ｙ ｍｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｍｉ ｃ ｒ ｏ— ｄｉ ｓ ｐｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎｔ ｍａ ｇｎ ｉ ｆ ｙ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎｉ ｓ ｍ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈｅ ｆ ｌ ｅ ｘ ｕｒ ｅ ｈｉ ｎ ｇｅ，ｂｕ ｔ ｔ ｈｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙｓ ｉ ｓ ｐ ｒ ｏｃ ｅ ｓ ｓ ａ ｎｄ ｔ ｈｅ ｃ ｏｍｐｌ ｉ ａ ｎｃ ｅ ｓ ｃ ａ ｌ ｃ ｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｒ ｅ ｖ ｅ ｒ ｙ ｃ ｏｍｐｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｄ，Ｓ Ｏ ｔ ｈｅ ａ ｕ— ｔ ｈｏ ｒ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎｔ ｓ ａ ｎ ｅ ｗ ａ ｎａ ｌ ｙ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｅ ｔ ｈｏ ｄ，ｉ ｎ ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｅ ａ ｃ ｈ ｆ ｌ ｅ ｘｕ ｒ ｅ ｈｉ ｎ ｇｅ ｉ ｓ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｆ ｏ ｒ ｍｅ ｄ ｉ ｎｔ ｏ ｒ ｉ ｇ ｉ ｄ ｈ ｉ ｎｇ ｅ ａ ｎｄ ａ ｄｄ ｅ ｄ ａ ｔ ｏ ｒ ｓ ｉ ｏｎ ｓ ｐ ｒ ｉ ｎｇ ｏ ｎ ｉ ｔ ｗｈｏ ｓ ｅ ｅ ｑ ｕｉ ｖ ａ ｌ ｅ ｎｔ ｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎｅ ｓ ｓ ｉ ｓ ｋ，ｔ ｈｅ ｖ ｉ ｒ ｔ ｕ ａ ｌ ｗｏ ｒ ｋ ｐｒ ｉ ｎｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｉ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ａ ｎａ ｌ ｙ ｓ ｅ ｔ ｈｅ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｆ ｏ ｒ ｍｅ ｄ ｍｅ ｃ ｈａ ｎｉ ｓ ｍ ，ｄ ｅ ｄｕ ｃ ｅ ｔ ｈｅ ｓ ｉ ｍｐｌ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍｕ ｌ ａ ｓ ａ ｂｏ ｕｔ ｔ ｈｅ ｉ ｎ ｐｕ ｔ ｄｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎｔ ， ｏｕ ｔ ｐｕ ｔ ｄ ｉ ｓ ｐｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎｄ ｔ ｈｅ ｍａ ｇｎ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ａ ｔ ｉ ｏｎ ．Ｔｈｉ ｓ ｍｅ ｔ ｈ ｏｄ ｗａ ｓ ｕｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈｅ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏｒ ｍａ ｎｃ ｅ ａ ｎａ ｌ — ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｃ ｏｍｐ ｌ ｉ ａ ｎｔ ８ 一 ｂａ ｒ ｓ ｓ ｙ ｍ ｍｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｍｉ ｃ ｒ ｏ — ｄｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎｔ ｍａ ｇｎ ｉ ｆ ｙ ｉ ｎｇ ｍｅ ｃ ｈａ ｎ ｉ ｓ ｍ ，ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕｌ ｔ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｃ ｏ ｎｔ ｒ ａ ｓ ｔ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｏ ｂｓ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈｅ ｃ ｏ ｍｐ ｌ ｉ ａ ｎ ｃ ｅ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｓ ｍｅ ｃ ｈａ ｎ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ａｌ ｙ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｅ ｔ ｈｏ ｄ ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｎｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎｔ ，ｗｈｉ ｃ ｈ ｉ ｎ ｄｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈｅ ｃ ｏｎ ｓ ｉ ｓ ｔ ｅ ｎｃ ｙ ａ ｍｏ ｎｇ ｔ ｈｅ ｍ ．Ｔｈ ｅ ｎｅ ｗ ｍｅ ｔ ｈｏ ｄ ｍａ ｋｅ ｓ ｆ ｕｌ ｌ ｕ ｓ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｓ ｙｍｍ ｅ ｔ ｒ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎｉ ｓ ｍ ，ｉ ｔ ｇｒ ｅ ａ ｔ ｌ ｙ ｓ ｉ ｍｐｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｓ ｔ ｈｅ ｃ ｏ ｍｐｕ ｔ ａ ｔ ｉ ｏｎ ａ ｎｄ ｉ ｍｐｒ ｏ ｖｅ ｓ ｔ ｈｅ ｅ ｆ — ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎｃ ｙ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ — ｄ ｉ ｓ ｐｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎｉ ｓ ｍ ；ｆ ｌ ｅ ｘｕ ｒ ｅ ｈｉ ｎ ｇｅ ；ｅ ｑ ｕｉ ｖ ａ ｌ ｅ ｎ ｔ ｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎｅ ｓ ｓ ；ｃ ｏ ｍｐｌ ｉ ａ ｎ ｃ ｅ ｓ；ｖ ｉ ｒ —
全柔性微位移放大机构的设计与分析
【 ｂｔ ｃ】 ｕ ｙｃｍ ｌ ｎ ｍｃ － ｉ ｌ ｅ ｅｔ ｐｉｃｔ ｎｍ ｃａｉ Ｓａｙｄｓ ｎｄｔ ｂ Ａ ｓ ａｔ Ｆ ｌ ｐｉ ｔ ｉ ｏ ｄ ｐａ ｍ ｎ ａ ｌ ａｏ ｅｈｎ ｍ ｉ ＵＨｌ ｅｉ ｅ ｅ ｒ ｌ ｏ ａ ｒ ｓ ｃ ｆ ｉ ｍ ｓ ｓ ｌ ｇ ｏ
：。 。 ’ 。 ’ 。 Ⅲ Ⅲ 。 。 。 。’ 。 Ⅲ 。 。 ’ 。 。’ ㈣ Ⅲ Ⅲ 。 。 ’ 。 。 。 。 Ⅲ Ⅲ Ⅲ 。。 。 。’ 。 ㈣ 。。’。。． Ⅲ 。’ 。 。 ’ 。 。 ’ 。 Ⅲ Ⅲ Ⅲ 。 。 Ⅲ 。 ’ 。 。 。Ⅲ Ⅲ … 。 。 ’ 。 。 ’ 。 。 。’ 。 Ⅲ 。 ． ＝ … 。 。 。 。 。 。：
ｗ ｓｄｓ ｎ ｄ ｃ ｍ ｅ ｉ ｌ ｔ ｉ ｎ ｅｎ ｕｌ Ｅ ｌｒ ｓｍ ｔ ｎ ｔｅ ｏｃ － ｅ ｅｔ ｎｒｌｔ ｎ ｈ ａ ｅｉ ｅ ，ｏ ｂｎ ｄｗ ｔ Ｅ ａ ｉ ｔ ａ ｄ Ｂ ｒｏ ｌ－ ｕｅ ｐｉ ，ｈ ｒｅ ｄｆ ｃ ｏ ｅ ｉ ｓ ｉ ｇ ｉ ｈ ｓｃ ｙ ｉ ｓ ａｕ ｏ ｆ ｌ ｉ ａｏ ｐ
吴 国昌 邱 丽芳 段 磊 谢之勇 （ 京科 技大学 机械 工程学 院 ， 北 北京 １０ ８ ） ０ ０ ３
Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｄ ａ ａｙ ｉ ｆ ｕｌ ｏ ｓ ｇ ｎ ｎ ｌｓｓ ｏ ｌ ｃ ｍｐ ｉｎ ｃ ｏ ｄｉｐａ ｅ ｆ ｙ ｌ ｔｍｉｒ － ｓ ｌｃ ｍｅ ｔ ｍ ｐｉｃ ｔ ｎ ｍｅ ｈ ｎｓ ａ ｎ ａ ｌｉａ ｉ ｃ ａ ｉｍｓ ｆ ｏ
第 １ 期 １ ３ ９ （ ０ １Ｏ — ０ ５ ０ １０ — ９ ７ ２ １ ） １０ ４ — ３
机 械 设 计 与 制 造
压电叠堆泵微位移放大机构的试验研究
数 ； 为压 电叠 堆 的长度 。 ｚ 从 上式 可见 ， ｌ ｔＶ 或 Ｅ 有 很大值 ， ｔ 小 ，ｉ ， 且 减
时 ， 电叠 堆 的位移 变化 量将 增加 。 压
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｉ ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ａ ｍ ｉｒ ｓ ｒ ｃ ： ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ， ｃ ｏ—ｄ ｓ ｌｃ ｍ ｅ ｔ ｉｐ ａ ｅ ｎ
ｍａ ｎｉｙ ｎ ｅ ｈ ｎｉｍ ， ｉ ｈ ｗａ ｐｐｌ ｄ ｔ ｅ ｏ ｇ ｆ ｉ ｇ ｍ ｃ ａ ｓ ｗｈ ｃ ｓ ａ ｉ ｏ ｐｉｚ ｅ
ｉ ｎ ｙ ａ ｃ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓ ｉ ｓ ｗｅ ｅ ｔ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｃ ａ ｄ ｄ ｎ ｍｉ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉ ｔｃ ｒ ｅ ｔ ｄ ｏ ｈ ｐ ｏｏｙ ｅ ｒ ｔ ｔ ｐ ．Ｔｈ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓ ｉ ｓ ｆ ｏ ｄ ｉ ｅ ｒｔ ， ｅ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉ ｔ ｏ ｇ ｏ ｌ ａ ｉｙ ｃ ｎ
摘 要 ： 出 了一 种 应 用 于 压 电 叠堆 泵 的微 位 移 提
放 大机 构 ， 机 构 以 压 电 叠 堆 （ 层 式 压 电 微 位 移 该 积 器） 驱动 元件 ， 过基 于三 角形放 大原 理 的柔性铰 为 通 链 放 大 机 构 ， 大 压 电 叠 堆 的 输 出位 移 。 同 时 ， 放 设
Ｋｅ ｒ ｓ ｐ ｅ ｏ — ｓ ａ ｋ； ａ ｎ ｆ ｉ ｇ ｙ ｗｏ ｄ ： ｉｚ ｔ ｃ ｍ ｇ ｉｙ ｎ ｍｅ ｈ — ｃ ａ
ｎ ｓ ； ｌ ｘ ｅ ｈｉ ｇｅ； ｒａ ｌ ｍ ｐ ｉｉａ ｉ ｎ ｉ ｍ ｆｅ ｕｒ ｎ ｔ ｉｎｇ ｅ ａ ｌｆｃ ｔｏ
微位移技术
微位移技术摘要：微位移技术是实现超精密加工的重要途径，据此介绍了当前微位移技术研究的背景和意义，并对微位移系统做了简单介绍。
参考有关文献着重的对压电元件和电致伸缩微位移机构进行解读。
围绕压电驱动器的几个弊端，介绍了解决的方法以及控制系统在其中的作用。
一、微位移技术的研究背景和意义高精度和高分辨率的精密微位移系统在近代尖端工业生产和科学研究领域内占有极其重要的地位。
它是直接影响精密、超精密切削加工水平、精密测量水平及超大规模集成电路生产水平的关键环节。
同时它的各项技术指标是各国高技术发展水平的重要标志。
从七十年代后期起，微电子技术向大规模集成电路和超大规模集成电路方向发展，随着集成度的提高，要求电路中的各种元件微型化，使有限的微小面积上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂和完备的电路。
随着科学技术的发展，更多的其他领域也越来越迫切需要精密的微动系统，例如，生物、医学、光纤对接、微细加工、微型机器人装配等。
微位移技术是现代工业基础的重要组成部分，它几乎左右着上述各领域的发展。
目前发达国家都在纳米技术的研究上投入了大量的资金和人力。
而我国在这方面的研究还比较落后，精密、超精密加工水平，大规模集成电路的生产水平远远落后于美日等发达国家。
因此，开展精密微位移系统的研究有利于缩小我们与先进国家同行业的差距，促进我国精密仪器仪表、精密超精密加工水平的提高，有利于推动我国大规模集成电路制造技术的发展，促进我国纳米技术方面的研究。
二、微位移系统介绍微位移系统一般有微位移机构、检测装置、控制系统三部分组成。
检测装置和控制系统是为了让微位移机构达到更高的精度。
也就是当微位移机构达不到预想的精度时，需要检测装置和控制装置不断的纠正和反馈，使得微位移机构能够更精确的执行，三者关系如下。
微位移机构：指行程小，精度高(亚微米、纳米级)及灵敏度高的机构，它是微位移技术中的关键部件之一，也是一种机、电、磁一体化的组合件。
它既可作为微进给和微调节部件，也可作为工艺系统动、静误差补偿的关键部件。
微机电系统二维微动工作台微位移机构特性研究
计
算
、
接
口
可电 调 源Ｈ
徽移构 位机
机
电
路
双 激 干 仪 卜－ 频光涉 卜 －
图 １ 二 维 微 动 工 作 台 结 构 框 图
ｄｉ ｐｌ ｃ ｍｅ ｓ ｗｏｒ ａ ｅ ｓ ｔ ｍ ｅ ｉ ｓ ａ ｅ ｎｔ ｋｔ ｂｌ ｙｓ ｅ ｄ ｓ ｇｎ， ｍ ｐ ｏ ｎｇ ｉ ｒ ｖｉ
铰 链 中图 分 类 号 ： １２ ５ ＴＨ １ ．
文献标识码 ： Ａ
文 章 编 号 ：０ １ ２ ５ （０ ２ Ｏ —０ ３ —０ １０ — ２ ７ ２０ ）６ ０ ９ ３
Ａ ｂｓ ｒ ｃ ： ｈｉ ｔ ａ ｔ Ｔ ｓ ｐａｐ ｒ ｉ ｒ ｅ ｎｔ ｏｄｕ ｅ ｔ ｓｇｎ ｃ ｄ ｈｅ ｄｅ ｉ ｏｆ
１ 系统 组 成 和 工 作 原 理
精 密 二 维 微 动 工 作 台 系 统 结 构 如 图 １所 示 。
ｌｖ ｒｆｅ ｉ ｌ ｎ ｅｊ ｉ ｃ ａ ｉｍｓ Ｔｈｅｅｅ ｔｏ— ｅ ｅ ｌｘ ｂ ｅｈｉｇ ｏｎｔｍｅ ｈ ｎ ｓ ． ｌｃ ｒ
ｍ ｅ ｈａ ｃ ｏｕｐｌｎｇ ｍ ｏｄ ｈｉ ｉ ｒ — ｄｉｐｌ ｃ ． ｃ ｎｉａｌｃ ｉ ｅｌｏｆｔ ｓ ｍ ｃ ｏ — ｓ ａ ｅ． ｍｅ ｓ ｎｔ ｍ ｅ ｈ ｃ ａｎｉｍ ｈａ ｅ ｂｕｉｔ ｓ ｓ ｂｅ ｎ ｌ ．Ｔ ｈｅ ａｐ ｖｅ ｐ ｅｒ ｇｉ ｓ ｅ ｐｈａ ｉ ｔ ｔ ａ ｌ ｉ ｏｆ ｈｅ ｔ ａ ｉｉ ｍ ｓ ｓ ｏ ｈｅ ｎａ ｙｓ ｓ ｔ ｒ ｎｓ ｔｏｎａ ｒ — ｌ ｅ ｓ ｎｓ ｓ ｅ ｄｙ ｓ ａ ｅ ｅ ｐｏ ｅ ａｎ ｔ ｉ ｆ ｃ ｆ — ｐｏ ｅ， ｔ ａ ｔ ｔ ｒ ｓ ｎｓ ｄ ｈｅ ｒ ａｆｅ ｔ ａｃ ｔ ｓ ｏｒ ．Ｓｏｍ ｅ ｓ ｇｅ ｔｏｎｓ ｕｇ ｓ ｉ ｈａ ｅ ｂｅ ｎ ｍ ａｄ ｉ ｒ — ｖ ｅ ｅ ｏｎ ｍ ｃ ｏ
全柔性微位移放大机构的设计与分析
材料的弹性变形来实现的。柔性铰链的转动能力、回转精度、应力水 平等性能与铰链的形状特别是铰链最薄处的尺寸有很大关系。其转 动刚度、柔度的计算一般采用数值积分方法或弹性静力学方法，根 据柔性铰链的柔度再求得柔性机构的力与位移的关系。
设计了另一种形式的全柔性微位移放大机构，采用长柔性 杆的变形，而不是短柔性铰链的变形来输出位移，并结合弹性力 学和 Bernoulli-Euler 假设[1]，对该机构进行了研究，推导出该放大 机构的力位移计算公式及放大比公式。分析了影响其输出位移及 放大比的关键因素，对微位移放大机构的设计与分析方法的理论 研究具有一定的意义。
取 F=0.01N，且 30°燮α燮60°，30°燮β燮60°，其他参数如前所述，利
用 MATLAB 作出 δCy 与 α、β 角度关系三维曲面，如图 4 所示。可
看出微位移放大机构在一定载荷下，在设定角度范围内输出位移
随着 α、β 角度的增大而减小。
×10-6
10
9
8
输出位移 δcy
7
6
5
4
3
2
0.4
第1期
机械设计与制造
2011 年 1 月
Machinery Design ＆ Manufacture
45
文章编号：1001-3997（2011）01-0045-03
全柔性微位移放大机构的设计与分析 *
吴国昌 邱丽芳 段 磊 谢之勇 （北京科技大学 机械工程学院，北京 100083）
Design and analysis of fully compliant micro-displacement amplification mechanisms
AF
F
C Y
柔性铰链微位移放大机构的研究
链 刚度 ｋ 的影响 ， 算结果如 图 ３ 计 所示 ． 该算例选择
材料 （ 铍青 铜 ， ｅ ）与结构 的具 体参数 为 ＱＢ ２
Ｅ 一 １ ３５Ｘ １ ｎ Ｐａ； 一 １× １ 一 一 １ × １ 一 ． ０ Ｔ Ｏ Ｏ ０ 。ｍ ；
Ｒ 一 ２ ５Ｘ１ 一 ｍ ； ． ０ ｔ一 ０ １ × １ ＿ ． Ｏ 。一 １× １ — １ ． ０ ２ １
（ ｃ ｏ ｌｏ Ｅｎ ｒ ｙ ａ ｄ Ｐｏ ｒＥｎ ｉｅｒｎ ， ｎ ｈ ｕＵｎ ｖ ｒｉｙ ｏ ｃｅ ｃ ｎ ｃ ｎ ｌｇ Ｌａ ｚ ｏ ３ ０ ０， ｈ ｎ ） Ｓ ｈ ｏ ｆ ｅ ｇ ｎ ｗｅ ｇ ｎ ｅｉｇ Ｌａ ｚ ｏ ｉｅ ｓｔ ｆ Ｓ ｉｎ ｅａ ｄ Ｔｅｈ ｏｏ ｙ， ｎ ｈ ｕ ７ ０ ５ Ｃ ｉａ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｈｅ Ｍ ｅ ｈ ｎｉｍ ｆＭ ａ ｎｉｙ ｎｇ Ｍ ｉｒ ｓａｃ ｎｔ ｃ ａ ｓ ｏ ｇ ｆｉ ｃ ｏ
Ｄｉｐｌ ｃ ｍ ｅ ｔｂ ｉ ｇ Ｆｌｘｕ ｅ Ｈｉ ｅ ｓ ａ ｅ ｎ ｙ Ｕｓ ｎ ｅ ｒ ｎｇ ｓ
ＺＨபைடு நூலகம்ＮＧ ａ － ｈ ｎ， Ｕ ａ — ｕ ｎ Ｚ ＡＮＧ ａ —ｈ ｎ Ｚ Ａ０ ｎ —ｏ ｇ ＹＵ ｕ ｌ ｇ Ｙｕ ｎ ｓ ｅ ＬＩ Ｘｉｏ ｇ ａ ｇ， Ｈ Ｙｕ ｎ ｃ ｅ ｇ， Ｈ Ｑｉｇ ｌｎ ， Ｙｏ —ｉ ｎ
Ｅ半 径 Ｒ 以及最 小 厚度 ｔ ｌ 带入 式 中作积 分 ， 即可得
出柔 性 铰 链 的 转 角 刚 度 ． 此 可 以 看 出 柔 性 铰 链 的 由 转 角 刚 度 与 其 结 构 参 数 密 切 相 关 ， 了更 为 直 观 地 为
图 ３ 厚 度 、 度 丁 与 七 宽 之 间 的 关 系
ｖ ｌ ｅ ａｖ ．
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
在扫描探针显微镜方面
扫描探针显微镜(SPM)以原子尺度来考察 固体材料表面的实空间三维结构。利用 SPM对固体表面上原子进行操作和移植的 纳米加工技术是当前国际上纳米科技的重 要方面之一,对高密度信息存储、纳米电子 器件、量子阱器件、新型材料的组成和物 种再造等方面将会产生非常重要的影响。 利用纳米级的线性三自由度XYZ工作台用 于探测分子和原子的特征。
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
纳米级微定位系统
纳米级微定位系统（Nanopositioning）是指系统的 运动位移在在几微米和几百微米的范围内，其分辨 率、定位精度和重复定位精度在纳米级的范围内，该 系统可以是单自由度和多自由度，该系统的特性反映 出与传统的位移机构有很大的不同，其传动副是弹性 平板（elastic plate）和柔性铰链（Flexure links）。结构的主要特点：结构紧凑、体积小、无 机械摩擦、无间隙的传动导向机构。将微定位技术中 的弹性平板和柔性铰链运动副应用机器人传动机构， 再加上机器人控制技术，机器人传感技术和机器人视 觉组成微驱动和微操作机器人系统。这一技术拓展机 器人的应用范围。同时其技术涉及到精密机械、机器 人、计算机、自动控制、精密测量等多学科领域。
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
微驱动技术发展及应用
哈尔滨工业大学博实精密测控有限责任公司 2002年8月
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
微型机械制造、超精密加工
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
光学微处理系统
光学微操作微加工技术是本世纪90年代发展起来 的一种新的“机械加工”方法，光学微处理系统主 要部件是光学微机械手（光镊和光刀）。它不同 于传统的机械加工方法，它对微小“工件”（生物 细胞、细胞器及其它微小粒子）的夹持、操作和 微加工都是用光来实现的，是没有任何机械接触 的“机械加工”。光镊和光阱都能深入到物体（如 细胞）的内部去操控和加工细胞器等内部结构组 分，而无需切开物体，显然这种微处理技术对物 体的干扰和破坏要比通常的方法小的多，在传统 微机械难以胜任的微米量级粒子的处理方面，光 学微处理技术恰能运作自如，成为不可或缺的一 项独立的技术。
在集成电路பைடு நூலகம்造方面
在大规模集成电路制造中,印刷电路板上的 布线密度越来越高,而且印刷电路板上线路 的修复、线路连接质量和表面质量的评 估、材料性能的检测等许多工序都需要高 精度的机器化设备来完成.纳米级微驱动机 器人系统可以用作X曝光机等设备中的超精 密定位装置及高精度微进给装置。
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
在医疗科学方面
医疗机器人与计算机辅助医疗外科技术是近几年在多学科交 叉领域中兴起，并越来越受到关注的机器人应用前沿研究课 题之一。其中显微外科手术由于病人失血少、伤口愈合快, 同 时也可降低病人恢复所需的费用，是未来外科手术的发展方 问。目前主要靠少数有多年临床经验的专家在显微镜下人工 完成。采用带有传感器的微动机器人系统完成微外科手术， 可大大减轻医生负担,缩短手术时间，提高成功率，从而具有 广泛的应用前景。显微外科手术主要包括脑外科显微手术、 神经外科手术、囊肿摘除、心血管搭桥等微细作业手术。为 了完成精细的动作，各种机器人显微外科手术系统的研究， 倍受关注。目前国际上已研制出能够缝合人体静脉血管和疏 通眼球视网膜静脉堵塞的微操作机器人。可以预见，这种操 作精密、对人体伤害小、不会对病人造成痛苦的微操作机器 人将会得到广泛的应用。
微机械零件的操作和装配
现代的机电产品的微型化带来了深刻的技术革 命，精密零件的组装面临着新的挑战。传统的手 工装配方法对操作者的技术、劳动强度都有很高 的要求，而且工作效率很低，操作工人的培养往 往需要较长的时间。微操作机器人系统采用专门 设计的工具、定位装置、照明装置和便于操作者 操作的遥控作业系统可以方便地完成上述作业， 并大大提高生产效率。 同时，随着LIGA加工技 术的发展，能够加工出更精细和复杂的部件，但 再要求对各部件进行装配时，只有微操作机器人 系统才能胜任。
在集成电路制造方面
检测电路板刻线的宽度和深度
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
光纤对接方面
随着网络和数字通讯市场的发展，光纤作为现代 信息高速公路中的信息传输媒介将得到越来越多 的应用，使光纤耦合器和波导的需要激增。这种 高技术的产品的体积仅十几立方厘米，但价格昂 贵，原因是光纤对接校准的困难：必须借助一种 特殊的精微校准平台（精度达0.1µm），这种精 密校准平台事实上就是一套微操作机器人系统， 光纤的对接由左右微操作手协调完成，使光纤和 器件之间达到最佳耦合功率位置,并自动补偿这一 过程的任何误差。不仅取代了人工操作而且降低 了返修率,缩短生产周期。目前这种平台供不应 求，前景看好。
生物工程方面
随着生物工程的发展,要求能随意捕捉和释放单一游 离细胞，或向细胞内注入和拾取某一成分，同时还 能测定和记录细胞生物电参数。游离细胞捕捉仪就 是为此目的而研制的，对只有几微米的细胞来说， 关键动作是接近细胞时的精细微调，要求分辩率达 几十纳米，微驱动机器人具有高定位精度和精细操 作能力，适于完成上述操作。用微驱动机器人完成 细胞级的操作，不仅可提高效率，而且还可以打破 只有少数人可为的局面,真正实现生物的工程化。
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
在医疗科学方面
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
光纤对接方面
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
光纤对接方面
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
光纤对接方面
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
生物工程方面
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
在扫描探针显微镜方面
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________
哈 尔 滨 工 业 大 学 博 实 精 密 测 控 有 限 责 任公 司 __________________________________________________________________________________________