圆弧形柔性铰链式二维并联压电微动平台的设计【开题报告+文献综述+毕业设计】.Doc

1、毕业论文开题报告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一、选题的背景与意义随着科技的发展,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。与此同时,相配套的各类精密、超精密微动平台也应运而生。在电子、光学、机械等精密产品制造业中,经常需要精度高、配置灵活、维护方便的定位平台。现代社会对机械产品的精度和表面质量的要求不断提高，而高精度微位移装置是超精密机床的关键装置,如要实现微量进给、超薄切削、加工误差的在线补偿,以及加工非轴对称特殊型面等功能,都离不开微位移技术。随着科学技术的不断发展,在

2、宇航和航空领域也采用微位移工作台实现高精度等要求。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题21研究的基本内容1基于微动平台应同时具有良好的位移输出特性和刚度特性的要求，并考虑材料的加工工艺性，确定微动平台的材料；2基于圆弧形柔性铰链结构，确定二维串联微动平台的结构形式；3确定圆弧形柔性铰链与微动平台的几何尺寸；4基于所确定的圆弧形柔性铰链与微动平台的几何尺寸以及所给定的微动平台的位移行程，计算圆弧形柔性铰链的最大应力，校核微动平台的强度；计算微动平台的弹性恢复力、刚度；5基于所给定的微动平台的位移行程以及由计算所得的微动平台的弹性恢复力与刚度，确定压电陶瓷执行器的参数最大输出位移、最大驱动力、刚度

3、；6分别基于PRO/E、AUTOCAD绘制微动平台的三维造型图、装配图与零件图；22拟解决的主要问题对圆弧形柔性铰链式二维并联压电微动平台进行结构设计，并确定其材料、几何尺寸，校核和确定各种参数。三、研究的方法与技术路线采用经验公式来计算平台的弹性恢复力、刚度和柔性铰链的形式和结构尺寸四、研究的总体安排与进度第14周查阅文献，了解微动平台的原理及其应用；第56周确定压电微动平台的材料、结构形式以及几何尺寸；第711周基于圆弧形柔性铰链结构，对微动平台进行设计计算，即对其进行强度校核，计算其弹性恢复力与刚度，确定压电陶瓷执行器参数；第12周绘制微动平台的三维造型图、装配图与零件图第13周撰写毕业

4、论文参考文献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,2004,21746492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,2003,20346473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,2006,23155574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,2007,35116264结构方案设计选择材料设计计算平台弹性恢复力、刚度的计算绘制三维图，装配图和零件图铰链的设计计算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,2006,2856246266田延岭,张大

5、卫,闫兵二自由度微定位平台的研制J光学精密工程,2006,14194997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,2002,1021431478高鹏,袁哲俊,姚英学基于柔性铰链结构的新型双向微动工作台的研究J仪器仪表学报,1998,1921921939KEEBONGCHOI,JAEJONGLEE,SEIICHIHATAAPIEZODRIVENCOMPLIANTSTAGEWITHDOUBLEMECHANICALAMPLIFICATIONMECHANISMSARRANGEDINPARALLELJPHYSICAL,2010,161217318310CHIYI

6、NGLIN,POYINGCHENPRECISIONTRACKINGCONTROLOFABIAXIALPIEZOSTAGEUSINGREPETITIVECONTROLANDDOUBLEFEEDFORWARDCOMPENSATIONJMECHATRONICS,2010,595243211HUAWANG,XIANMINZHANGINPUTCOUPLINGANALYSISANDOPTIMALDESIGNOFA3DOFCOMPLIANTMICROPOSITIONINGSTAGEJMECHANISMANDMACHINETHEORY,2008,97940041012SBCHOI,SSHAN,YMHAN,BS

7、THOMPSONAMAGNIFICATIONDEVICEFORPRECISIONMECHANISMSFEATURINGPIEZOACTUATORSANDFLEXUREHINGESDESIGNANDEXPERIMENTALVALIDATIONJ,MECHANISMANDMACHINETHEORY,2007591111841198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

8、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35。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

9、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

10、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1NM、定位精度005M和重复精度,工作稳定、无机械摩擦、无间

11、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

12、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

13、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5NM,固有频率分别为143HZ和180HZ。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

14、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7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,2004,21746498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

15、设计,2003,20346479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,2006,231555710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,2007,3511626411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,2006,28562462612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,2006,141949913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,2002,10214314714高鹏,袁哲俊,姚英学基于柔性铰链结构的新型双向微动工作台的研究J仪器仪表学报,19

16、98,19219219315KEEBONGCHOI,JAEJONGLEE,SEIICHIHATAAPIEZODRIVENCOMPLIANTSTAGEWITHDOUBLEMECHANICALAMPLIFICATIONMECHANISMSARRANGEDINPARALLELJPHYSICAL,201017318316CHIYINGLIN,POYINGCHENPRECISIONTRACKINGCONTROLOFABIAXIALPIEZOSTAGEUSINGREPETITIVECONTROLANDDOUBLEFEEDFORWARDCOMPENSATIONJMECHATRONICS,2010243217

17、HUAWANG,XIANMINZHANGINPUTCOUPLINGANALYSISANDOPTIMALDESIGNOFA3DOFCOMPLIANTMICROPOSITIONINGSTAGEJMECHANISMANDMACHINETHEORY,200840041018SBCHOI,SSHAN,YMHAN,BSTHOMPSONAMAGNIFICATIONDEVICEFORPRECISIONMECHANISMSFEATURINGPIEZOACTUATORSANDFLEXUREHINGESDESIGNANDEXPERIMENTALVALIDATIONJ,MECHANISMANDMACHINETHEOR

18、Y,200711841198本科毕业论文（20届）圆弧形柔性铰链式二维并联压电微动平台的设计摘要摘要微动平台，或称为微位移机构，是指行程小、灵敏度和精度高的机构,它是微动系统的核心。本文设计了一种圆弧形柔性铰链式的二维微动工作台。平台由压电陶瓷执行器驱动的、在X和Y方向上的行程各为40微米。该微动平台采用柔性铰链支撑的并联式设计结构，与串联结构形式相比，该结构更简单紧凑，具有更宽的有效工作平面，其X方向和Y方向完全对称，所以这两个方向的参数完全相同，便于参数识别与工作台的控制；该平台以双平行四杆机构为基础，由6个柔性铰链臂和12个柔性铰链组成，与单平行的四杆机构相比，由于该结构的连杆沿杆长方向

19、伸长而不产生寄生运动，X和Y方向也不会相互耦合。设计中确定了圆弧形柔性铰链与微动平台的几何尺寸，根据所确定的圆弧形柔性铰链与微动平台的几何尺寸以及所给定的微动平台的位移行程，计算出圆弧形柔性铰链的最大应力，并校核微动平台的强度；计算了微动平台的弹性恢复力、刚度，根据微动平台的弹性恢复力与刚度，确定压电陶瓷执行器的参数最大输出位移、最大驱动力、刚度。最后基于PRO/E、AUTOCAD绘制了微动平台的三维造型图、装配图与零件图。关键词微动工作台；并联结构；柔性铰链；压电驱动器ABSTRACMICROPOSITIONALSTAGE,ISASMALLSTROKE,HIGHPRECISION,ANDOR

20、GANIZATIONSTRUCTURE,ITISTHECOREOFTHEMICROSYSTEMDESIGNEDAFLEXIBLEARCSHAPEDTWODIMENSIONALMICROHINGEDSTAGETHEPLATFORMDRIVENBYPIEZOELECTRICCERAMICACTUATORS,ANDTHEDISPLACEMENTIS40MICRONSINBOTHXANDYDIRECTIONTHEMICROPLATFORMISDESIGNEDOFPARALLELSTRUCTURETHATSUPPORTEDBYFLEXIBLEHINGE,WHICHISMORESIMPLERANDCOMP

21、ACTERSTRUCTURETHANTHESERIES,ANDHAVEASERIESOFWIDERTHANTHEEFFECTIVEWORKINGPLANETHEXDIRECTIONANDYDIRECTIONARECOMPLETELYSYMMETRICAL,SOTHEARGUMENTSISSAMEINBOTHDIRECTIONS,WHICHISEASYFORPARAMETERIDENTIFICATIONANDCONTROLINGTHESTAGETHEPLATFORMISBASEDONADOUBLEPARALLELFOURBARMECHANISM,WHICHISFORMEDWITHSIXFLEXI

22、BLEHINGEARMANDTWELVEFLEXIBLEHINGES,COMPAREDTOSINGLEPARALLELFOURBARLINKAGE,BECAUSEOFTHECONNECTINGRODOFSTRUCTUREALONGTHEDIRECTIONOFRODLENGTHANDWITHOUTPARASITICMOTION,THEXANDYDIRECTIONSARENOTCOUPLEDWITHEACHOTHERDETERMINETHEGEOMETRYOFARCSHAPEDFLEXUREHINGEANDTHESTAGE,BASEDONTHEGEOMETRYOFARCSHAPEDFLEXUREH

23、INGEANDTHESTAGE,THEDISPLACEMENTOFTHESTAGEWHICHISGIVENTOCALCULATETHEMAXIMUMSTRESSOFTHEARCSHAPEDFLEXIBLEHINGES,ANDCHECKTHEINTENSITYOFMICROPOSITIONALSTAGECALCULATEDTHEELASTICRESILIENCEFORCE,STIFFNESSOFMICROPOSITIONALSTAGE,ACCORDINGTOELASTICRESTORINGFORCEANDSTIFFNESS,TODETERMINETHEPARAMETERSOFPIEZOELECT

24、RICCERAMICACTUATORSTHEMAXIMUMOUTPUTDISPLACEMENT,MAXIMUMDRIVINGFORCEANDSTIFFNESSKEYWORDSMICROSTAGEPARALLELSTRUCTUREFLEXIBLEHINGEPIEZOELECTRICACTUATOR目录摘要8目录101绪论1111微动平台的研究意义1112国内外研究现状1213本设计的任务142平台结构的初设计1421运动原理图1422微动平台的铰链形式1523驱动器的选择1524微动平台结构的初设计163设计计算1731平台材料的选择1732几何尺寸的初步确定17321平台的几何尺寸初步确定17

25、322铰链的几何尺寸初步确定1733铰链的应力计算与强度校核17331设计满足性能17332铰链的强度校核17333铰链的静刚度计算错误未定义书签。34平台的弹性恢复力计算2035压电陶瓷驱动器的选取214微动平台结构的详细设计2141平台载物面的设计2142压电块的预紧2243电极线的引出2344平台的封闭235结论与展望25参考文献26附录271绪论11微动平台的研究意义微动平台主要由微位移驱动器、导轨和输出平台等组成，是微动系统的核心。微动平台具有行程小、精度和灵敏度高的特点。微位移驱动器把相应的电能转换成相应的位移量,通过导轨把位移量传递到工作台，若使用柔性铰链，则通过柔性铰链把相应的

26、位移量传递到工作台。微位移技术是精密设备中的主要技术之一，随着各行业的精度要求不断的提升，比如宇航、电子等行业，微位移技术也不断的发展起来了。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1/10光波波长的表面，即几何形状误差小于005。计算机外围设备中大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内的浮动气隙，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（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）方向发展，随着集成度的提高，线条越来越微细化。256动态RAM线宽已缩小到125左右，目前已小于01，对

27、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1/31/5，即亚微米甚至纳米级的精度。微位移技术在精密设备中主要用于提高精度，随着宇航、电子等行业的精度要求不断的提升，对精度的要求也是越来越高，微位移技术应用也是更加的广泛，大致可分为四个方面1粗精工作台精度补偿高精度精密仪器的核心是精密工作台，工作台的精度是否达到要求直接影响精密仪器的精度，当前工作台主要朝着高精度和高速度的发展方向，现在精工作台的速度，一般在20MM/S100MM/S，但对于精度的要求在01M以下，由于惯性的作用，一般高速度往往会使

28、平台的精度降低，为解决这个问题，通常采用一个粗精度工作台和一个高精度工作台来实现，如图11A所示，粗精度工作台来完成高速度大行程的工作，而高精度工作台来对粗精度工作台运动中带来的误差进行精度补偿，以此来达到预定的精度。2精密机械加工中的微进给机构以及精密仪器中的对准微动机构主要由微进给实现，如图11B所示金刚石车刀车削镜面磁盘，车刀的进给量为5，就是利用微位移机构实现的。3微调精密仪器中的微调是经常遇到的问题，如图11C所示，左图表示磁头与磁盘之间的浮动间隙的调整，右图为照相物镜与被照乾版之间焦距的调整。4微执行机构主要用于生物工程、医疗、微型机电系统、微型机器人等，用于夹持微小物体。如图11

29、D所示，微型器件装配系统的微夹持器。图11微位移技术应用13补偿；B微进给；C微调；D微执行机构精密机械设备和仪器实现高精度的关键技术之一是微位移技术。微位移技术的组成由微位移机构、检测装置和控制系统三部分，它的行程比较小，其灵敏度和精度比较高,用于提高运动时的精度和灵敏度。微位移技术在近几年发展很快，已经成为现代机械工业的主要技术之一。在精度补偿等方面都得到了广泛的应用。12国内外研究现状基于柔性铰链微动平台在设计中被广泛运用。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。柔性铰链扩展、配置灵活,通过对一维柔性铰

30、链的简单几何叠加，可以方便组成二维或多维柔性铰链。微动工作台的柔性导轨、支承也常常采用的柔性铰链的形式。采用柔性铰链形式的微位移机构，具有工作比较稳定、摩擦小、间隙小、体积小和无爬行现象等特点；采用柔性铰链的形式是近几年发展起来的一种比较新型的微位移机构，是一种比较具有应用前景的微位移形式。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，如图12所示，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

31、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。图12工作台简图黄金永，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。结合空间微动平台轻量化、尺寸小、一阶共振频率尽可能高的特点，以及满足工作台工作行程、位移驱动器推力、和材料的许用应力等要求，并通过对柔性铰链公式的详细计算分析，阐述了这种工作台的设计过程，而且给出了这种工作台得实例分析，同时使我们对柔性铰链的参数有了一定的理解。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，介绍了采用压电陶瓷执行器驱动的X、Y微动工作台。如图13所示。该微动

32、平台以双柔性平行四连杆结构为基础，采用参数化的分析方法分析微动平台的固有频率、应力以及刚度与铰链各尺寸的关系，最后通过综合分析，提出了一种微动台的设计方法。图13二维微动工作台田延岭，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，该微动工作台的优点是具有高响应速度、高刚度和高分辨率。为了解决压电陶瓷执行器伸长量不足的问题，采用杠杆放大机构的形式来增加微动工作台的输出位移。考虑到驱动电路可能会有影响，建立了微动工作台的机电耦合模型。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5NM,固有频率分别为143HZ和180HZ。

33、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14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14工作台结构示意图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。它采用的是3级杠杆，从驱动到平台台面的位移比达1000，所以位移驱动元件的要求大大降低了，但这种形式的柔性铰链机构比较复杂。为了使射线干涉仪的测量

34、范围变大，德国设计了的铰链传动机构，见图15，该结构左右对称，消除了垂直方向上对主运动的干涉运动，测量范围达到了200多微米。以柔性铰链机构传动来实现微小位移还可以对激光干涉测量和电容测量进行互相标定。国际度量衡局研制的柔性铰链悬挂式等臂杠杆天平在空气中和真空中的分辨率分别可达1010和1011以上。等臂式杠杆天平其分辨率可达105以上。图15对称结构的柔性铰链传动机构13本设计的任务基于圆弧形柔性铰链结构，设计由压电陶瓷执行驱动的、在X和Y方向上位移行程各位40微米的二维并联微动平台。通过该设计，使了解压电微动平台的应用领域，掌握柔性铰链式压电微动平台的设计过程，进而掌握零、部件的一般设计过

35、程。先确定圆弧形柔性铰链与微动平台的几何尺寸，根据所确定的圆弧形柔性铰链与微动平台的几何尺寸以及所给定的微动平台的位移行程，计算出圆弧形柔性铰链的最大应力，并校核微动平台的强度；计算出微动平台的弹性恢复力、刚度，根据微动平台的弹性恢复力与刚度，确定压电陶瓷执行器的参数最大输出位移、最大驱动力、刚度。最后基于PRO/E、AUTOCAD绘制了微动平台的三维造型图、装配图与零件图。2平台结构的初设计21运动原理图大多数二维微动工作台采用串联式的结构形式。这种结构形式相当于在一维工作平台的内部又线切割出相互垂直的另一维平台。虽然这种形式结构紧凑，但外部平台的运动会影响内部平台的定位。另外其外部平台的驱

36、动力要大于内部平台驱动力，柔性铰链的工作情况复杂，不利于对称性的发挥及其定位控制。综合考虑二维柔性机构的三种结构形式叠加式、串联式和并联式的优缺点，采用并联式的结构形式。该结构两维方向对称，具有比串联结构形式的更宽的有效工作平面，且更简单紧凑由于X方向和Y方向完全对称，因此这两个方向的参数也完全相同，便于参数识别与工作台控制。在工作台的一维方向上，其结构原理图如图21所示。该结构由6个柔性铰链臂和12个柔性铰链组成,与单平行的四杆机构相比，由于该结构的连杆沿杆长方向伸长而不产生寄生运动，X和Y方向也不会相互耦合。图21结构原理图22微动平台的铰链形式超精密检测、微操作系统等要求具有纳米级定位分

37、辨率的技术领域中通常采用柔性铰链为导向机构的超高精度微动工作台，这种形式的工作台已经被广泛的采用。随着纳米技术研究的不断发展,研究开发的热点和难点主要在高频响、高分辨率和宽行程的微动工作台上。随着科技的不断发展，各类精密、超精密设备和仪器被广泛地应用于现实生活和科学研究中，比如图形发生器、分步重复照相机、电子束和X射线及其检测设备等。与此同时，相配套的各类精密、超精密微动工作台也被设计出来。柔性铰链一般有两种类型，即圆弧型柔性铰链和矩形柔性铰链，如图22。与矩形柔性铰链相比，圆弧型柔性铰链的运动精度相对比较高，但运动的行程受到比较大的限制，能实现转动幅度比较小。矩形柔性铰链转动幅度比较大，但是

38、矩形铰链的运动精度比较差，并且在转动过程中它的转动中心有明显的偏转现象。图22矩形柔性铰链和圆弧型柔性铰链。本设计中采用的是圆弧形的柔性铰链形式，圆弧形柔性铰链具有使微位移工作台具有无机械爬行现象的优点。23驱动器的选择压电、电致伸缩器件是近年来发展起来的新型微位移器件。它具有结构紧凑、体积小、分辨率高、控制简单等优点，同时它没有发热问题，随意对精密微动工作台没有因为热量而引起误差。压电陶瓷驱动在纳米级的微定位装置中得到广泛应用的原因是因为其具有刚度高、分辨率高、摩擦小和磨损小以及响应速度快等优点。微动平台采用压电陶瓷微位移执行器，因为它无需传动机构，具有较高的位移精度、较快响应速度和功耗低等

39、特点，并且它是一种固体器件，易实现闭环控制，所以被广泛的应用于微动平台的设计中。采用压电陶瓷执行器制成的微动工作台，容易实现超精密定位，精度可以达到001微米，是理想的微位移执行器，在精密机械中也是得到了广泛的运用。所以在本设计中选用的驱动器是压电陶瓷驱动器。24微动平台结构的初设计微动工作台对宏动工作台进行定位误差补偿，使其最终定位精度达到纳米精度。这里所设计的微动工作台是采用柔性铰链支撑，并选用压电陶瓷驱动器驱动，其整体设计结构如图23所示。图23平台整体结构3设计计算31平台材料的选择平台的用材广泛，如用低碳结构钢（如Q195、Q215、Q235），再用油漆防锈和装饰，可达到较好的效果；

40、用铬不锈钢、铬镍奥氏体不锈钢（如1CR13、1CR18NI9、1CR18NI9TI）则更华丽，且耐蚀性好；铝（工业纯铝L5及防锈铝LF5、LF11、LF21等）、铝合金、黄铜（H62、H68等）等材料亦是很好的材料。综合考虑材料的性能和经济各方面，这里最终选取材料为铝合金，铝合金的弹性模量E为73GPA，密度为27003MKG，该材料密度较小,减轻了工作台的负载。屈服强度S274MPA，材料的许用应力为NS137MPA。32几何尺寸的初步确定321平台的几何尺寸初步确定整个工作台的几何尺寸为MM40MM200MM200BWL322铰链的几何尺寸初步确定根据结构,首先选取铰链宽度B30MM，铰链

41、臂L14MM，选取T2MM,R3MM。33铰链的应力计算与强度校核331设计满足性能设计微位移工作台的结构参数，应使工作台能满足以下性能要求1具有足够的工作行程2柔性铰链内部应力要小于材料的许用应力3压电陶瓷产生最大位移输出时,工作台的弹性恢复力应小于压电陶瓷的最大驱动力4微位移工作台的固有频率应尽可能大,使其具有良好的动态特性和抗干扰能力。332铰链的强度校核柔性铰链，如图31所示，它的截面是矩形形状的，铰链是由两个对称的圆柱面切割而成，两个圆柱面与端面垂直。对这种类型的柔性铰链进行分析，如图31所示是对柔性铰链各参数的定义。图31表明了柔性铰链的几何结构、变形和受力情况。宽度B、厚度T、切

42、割半径R和圆心角M为柔性铰链的几何尺寸。在本设计中柔性铰链的受力和力矩主要为FY、FZ、MY和MZ，其它可忽略不计。假设该圆弧形柔性铰链的右端面为相对固定端，则柔性铰链左端的变形主要为Z和Z。图31柔性铰链定义这里Z轴是柔性铰链的输入轴，柔性铰链沿Z轴产Z是柔性铰生的角变形链最重要的参数。在力矩ZM作用下，产生角变形Z，其柔度的表达式如下2212FEBRMZZ31其中式31中的2F为中间变量，其表达为2TAN14ARCTAN1412122TAN1412TAN1413642TAN1412TAN14128254222322242MMMMMSSSSSSSSSSSSSF32其中，SR/T。在力YF作用

43、下，产生角变形Z，其柔度的表达式如下2SIN12FEBRFMYZ33在力矩YM作用下，产生线性变形Z，其柔度的表达式如下13SIN12FEBRMMYZ34其中式34中的1F为中间变量，其表达为MMSSSF2TAN14ARCTAN14122135在力ZF作用下，产生线性变形Z，其柔度表达式如下332132212SIN12FEBRFEBRFMZZ36其中式36中的3F为中间变量，其可表达为MMMMMMSSSSSSSSSF222222341422TAN14ARCTAN214122TAN12TAN12TAN12TAN237在力ZF作用下，产生线性变形Z，其柔度表达式如下11FGBFZZ38根据以上对铰

44、链的分析可知道单轴直圆柔性铰链的转角刚度公式为21414122123SARCTANSSEBRK39其中TRS/。由公式39可知,柔性铰链的转角刚度K与材料弹性模量E、铰链宽度B、铰链的圆弧半径R以及铰链的厚度T有关。如图21所示,当柔性铰链平台在力的作用下平移距离时,弹性恢复力FT在运动过程中所做的功为TFA2148个柔性铰链储存的弹性势能为221480KA由能量守恒定律,弹性恢复力FT在运动过程中所做的功A等于微动台所有柔性铰链储存的弹性势能A0。由AA0可求得弹性恢复力221212LKKFT310该铰链机构的静刚度为2221212LKKFKTT311设计的二维微动平台要求在X和Y方向上的位

45、移行程各位40M。而微动工作台要有一定的预紧力,微动台会在预紧力的作用下产生一定位移，设该位移为5M。则预紧力产生的位移和工作台有效行程总共为45M。由公式39可得柔性铰链的转角刚度为RADMN610227ARCTAN7873103621234ARCTAN1234123227310312214ARCTAN1412212333SSSEBRK柔性铰链转角为RAD102314453L柔性铰链的最大应力为MPA25462101023610266232MAXMAXBTKWM柔性铰链的最大应力MAX小于材料的许用应力NS137MPA，故复合设计要求。34平台的弹性恢复力计算平台的刚度为MN46340513

46、8TPFK平台的强度为MPA463101051384141AFT计算值远小于平台材料的许用应力NS137MPA，故满足设计要求。根据公式310可求得该机构的弹性恢复力N5138202045610212121222LKKFT35压电陶瓷驱动器的选取平台在X、Y方向上的位移为40M，在预紧时会产生5M左右的位移，故压电陶瓷驱动器选用国产PTBS200系列，型号为PTBS200/10X10/50。该驱动器的标称位移50M最大推力1200N，大于弹性恢复力1385N；刚度25N/M。该压电驱动器配置相应的压电驱动电源可达到4NM的位移分辨率，满足设计要求。平台的刚度为346N/M，远小于压电陶瓷驱动器

47、的刚度25N/M，故设计的平台刚度符合设计要求。4微动平台结构的详细设计41平台载物面的设计因为平台载物面在工作时有位移的移动，为了避免摩擦等因数对工作台的精度产生影响，所以在工作台上表面工作部分设计时应高出一点，如图41所示，因为平台顶面还要加一个顶盖用来仿尘和保护作用，考虑到其厚度大约有3MM，故设计载物面时应总体向上突出5MM。图41平台载物面顶面而底面工作部分工作时为了避免摩擦等影响工作台的工作和精度，设计时应内凹4MM，如图42所示。图42平台载物面底面42压电块的预紧平台在压电陶瓷的驱动下产生精密运动，故在压电陶瓷驱动器工作前必须要有预紧力，本设计中采用预紧螺钉的形式，并在平台上开

48、设了预紧孔，用来对压电陶瓷驱动器的预紧。压电驱动器预紧孔的设计如图43所示。顶面载物台突出底面载物台内凹图43压电驱动器预紧孔43电极线的引出在平台上若不开设引线孔，压电陶瓷的引线就无法顺利的引出，故在压电块放置位置开设了引线孔。压电陶瓷驱动器引线孔的设计如图44所示。图44压电陶瓷驱动器引线孔44平台的封闭为了保证平台的精度，需对平台采取一定的保护措施，在本设计中在平台的顶面和底面分别加了一个盖，起到仿尘和保护的作用，提高平台的使用寿命。在设计中顶盖内边缘设计时离平台的载物面应留出大约1MM的间隙，这样做可以避免顶盖对平台工作的影响，也起到了有效的保护。平台的封闭设计如图45所示。预紧孔引线

49、孔（A）顶盖（B）底盖（C）间隙空隙图45平台的封闭45平台的安装与零件的固定平台的安装孔与平台的加工零件的固定孔如图46所示。图46安装孔与固定孔详细的结构图见附录。5结论与展望本设计完成了圆弧形柔性铰链式的二维微动工作台的设计。该微动平台的设计结构采用柔性铰链支撑的并联式，该结构与串联式结构相比，结构更简单紧凑，具有比串联结构形式更宽的有效工作平面，其X方向和Y方向完全对称，所以这两个方向的参数完全相同，便于参数识别与工作台的控制；该平台以双平行四杆机构为基础，本设计在双平行四杆机构的基础上又进行了改进，使平台的结构更加稳定，更加保证了平台的精度。并确定了圆弧形柔性铰链与微动平台的几何尺寸，根据所确定的圆弧形柔性铰链与微动平台的几何尺寸以及所给定的微动平台的位移行程，计算出了圆弧形柔性铰链的最大应力，并校核微动平台的强度；计算出了微动平台的弹性恢复力、刚度，根据微动平台的弹性恢复力与刚