基于柔性铰链的微位移设计

第一章绪论

1.1 柔性铰链简介

1.1.1 柔性铰链定义

柔性铰链作为一种小体积、无机械摩擦、无间隙和运动灵敏度高的传动结构，被广泛应用于各种要求微小线位移或角位移、且高精度定位的场合。开创了工作台进入毫米级的新时代。柔性铰链有成千上万的应用，如：陀螺仪、加速度计、天平、控制导弹的喷嘴、控制器显示仪、记录仪、调整器、放大连杆、计算机、继电器和传动连杆。

60年代前后，由于宇航和航空等技术发展的需要，对实现小范围内偏转的支承，不仅提出了高分辨率的要求，而且对其尺寸和体积提出了微型化的要求。人们在经过对各种类型的弹性支承实验探索后才逐步开发出体积小、无机械摩擦、无间隙的柔性铰链。随后柔性铰链在支撑结构、联接结构、调整机构和测量仪器中的得到广泛应用,并获得了前所未有的高精度和稳定性，并日益成熟。

70年代末，美国国家标准局引入了柔性铰链机构以放大压电驱动器的位移，使其设计的工作台既具有亚纳米级的位移分辨率，又具有相对较大的行程。近年来，柔性铰链以其特殊的性能在精密机械、精密测量、微米技术和纳米技术等领域得到广泛应用没，尤其是柔性铰链与压电致动结合实现超精密位移和定位。

柔性铰链用于绕轴作复杂的有限角位移，它的特点是：无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高。柔性铰链有很多种结构，最普通的形式是绕一个轴弹性弯曲，这种弹性变形是可逆的。

1.1.2 柔性铰链运动的实现方法

柔性铰链是通过弹性形变来实现铰链运动。施加的弹性变形力会导致铰链中心点偏移其几何中心，从而影响柔性铰链的转动精度。

柔性铰链用于绕轴做复杂运动的有限角位移，它有很多种结构，最普通的形式是绕一个轴弹性弯曲，这种弹性变形是可逆的。

1.1.3 柔性铰链类型

柔性铰链可分为单轴柔性铰链和双轴柔性铰链。

单轴柔性铰链的截面形状有圆形与矩形两种，如图1-1所示。

图1—1 单轴柔性铰链

双轴柔性铰链是由两个互成90度的单轴柔性铰链组成的（如图1-2（a）），对于大部分应用，这种设计的缺点是两轴没有交叉，具有交叉的最简单的双轴柔性铰链是把颈部作成圆杆状（如图1-2（b）），这种设计简单且容易加工，但它的截面积比较小，因此纵向强度比图1-2（a）弱得多。需要垂直交叉和沿纵向轴高强度的双轴柔性铰链，可采用图（1-2（c））。

图1—2 双轴柔性铰链

1.2 柔性铰链的发展

1.2.1 柔性铰链在国外的研究发展

在早期美国国家标准局设计了一体化的柔性铰链机构, 以联接X 射线干涉仪和光学干涉仪。它采用3 级杠杆, 从驱动点到工作台面的位移缩小比达到1000∶1, 由此降低了对驱动元件的要求, 但柔性铰链机构较为复杂。他们还利用柔性铰链在几角秒的运动范围内达到1 微角秒的调节精度。为了加大X 射线干涉仪的测量范围，德国设计了如图1-3对称结构的柔性铰链传动机构，该机构消除了在主运动垂直方向上的干涉运动, 测量范围达到了200μm。

图1-3对称结构的柔性铰链传动机构

70年代美国国家标准局引入了柔性铰链机构以放大压电驱动器的位移，使其设计的工作台既具有亚纳米级的位移分辨率，又具有相对较大的行程。而此时的柔性铰链机构结构紧凑、运动精度高等特点，因此在精密机械、精密测量、微米和纳米技术等领域得到了广泛应用。

1978 年美国国家标准局开发了一个微定位工作台并用于光掩模的线宽测量。为了能在光学和电子显微镜中使用, 要求工作台结构紧凑并能在真空中工作。如图1-4所示,工作台采用了压电元件驱动, 柔性铰链机构进行位移放大的方案。压电元件在低频工作时的能量耗散为零,因此工作台没有内部热源。工作台可在50 Lm 的工作范围内,以1 nm或更高的分辨率将物体线性定位。工作台还被用于其它显微物体, 如生物细胞、空气污染颗粒和石棉纤维等的尺寸精密测量。

图1-4压电驱动高精度工作台

1.2.2 柔性铰链在国内外的最新研究发展

国内最新研究、设计了一种柔性压电式微定位机构。如图1-5所示，此机构采用压电陶瓷作为微位移驱动器, 柔性铰链为导向机构, 对丝杠螺母传动的精密机床工作台运位置进行自动补偿。通过实验验证, 在精密滚珠丝杠副驱动的超精密加工机床上, 增加柔性压电式微位移机构, 可使机床的定位精度由原来的1μm提高0.01μm，且由于柔性铰链的放大作用, 定位行程达到100μm, 显著改善了机床的性能, 图1-5精密机床工作台微定位原理图能够满足精密、超精密定位精度要求.

图1-5精密机床工作台微定位原理图

目前提出了一种新颖的大行程柔性铰链及应用该种柔性铰链作为被动关节

的大行程柔性铰链并联机器人。如图1-6所示，该系统能够在立方厘米级的工作

空间内实现亚微米级的运动精度。如韩国高等科技大学的Ryu等人研制了三支链柔性铰链平面并联机器人，驱动元件采用压电陶瓷, 而整体结构中所有被动关节均采用正圆弧型柔性铰链。由于压电陶瓷的末端输出行程有限，为得到并联结构末端点较大的工作空间，这里合理的安排了柔性铰链的位置，使得支链均构成了放大结构。 Ryu等在建立了整体结构的运动学逆解的基础上，进行运动学标定，并做了大量试验。最终该系统在X、Y 两个方向的轴线位移和Z方向的角位移可分别达41微米、47.8 微米和联机器人322.8角秒，而相应的运动分辨率可达7.6纳米、8.2纳米和0.057角秒。

图1-6大行程柔性铰链并联机器人

第二章总体方案设计

2.1 总体设计思路

用柔性铰链为基础单元，设计出柔性铰链的微动工作台，使用压电陶瓷驱动器PZT（具有体积小、分辨率高、承载能力强等优点）来驱动，用电容式传感器来测量该微动工作台的位移变化量，使用A/D转换，从而使模拟量变为数字量，以便直观观察。

该微位移工作系统，由弹性精密微动工作台产生一个微位移量△d，使用电容式传感器对其进行测量，产生一个交流信号。信号再通过处理电路由A/D把模拟信号转化数字信号送入51单片机对其进行处理。并通过D/A转换使其成模拟信号，通过PID控制电路的运算，由于PID产生的信号十分微弱，用功率放大器对其进行一定程度的放大，从而驱动电压陶瓷驱动器PZT工作

柔性铰链的运动的范围为 100μm，分辨率为0.1nm，其方案图如下：

2-1方案简图

2.2 功能模块简介

压电陶瓷驱动器PZT：用来驱动平行四杆的微工作移动，从而使依附在铰链上的电容的间距产生变化；