1、本科毕业论文（20届）矩形柔性铰链式二维串联压电微动平台的设计所在学院专业班级机械设计制造及其自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要【摘要】本论文设计一种基于矩形柔性铰链式二维串联由压电陶瓷驱动器驱动的微动平台。该微动平台采用柔性铰链支撑的串联式设计结构，该结构比并联式平台结构简单，相当于在一个交大的一维微动平台内部又切割出另一个相互垂直的较小一维微动平台。而矩形柔性铰链较之圆弧型铰链具有更大的转动范围，并易于加工。本论文采用双柔性铰链平行四连杆结构，当平台受到驱动力时，将使所有相应的柔性铰链产生一定位置的偏转，使平台沿受力方向产生一定的位移。在确保加工和装配完全对称的情况下，该结构
2、的对称性能使微动平台不会在产生垂直方向的耦合运动。本论文采用经验公式设计了一个X，Y方向驱动范围都为30微米的二维微动平台。确定压电微动平台的材料、几何尺寸及矩形柔性铰链几何尺寸，并根据所确定的矩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，计算出矩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，确定压电陶瓷驱动器的参数最大输出位移、最大驱动力、刚度，并选取相应的压电陶瓷驱动器。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】二维微动平台；串联式结构；矩形柔性铰链；压电陶瓷驱动器
3、II【ABSTRACT】ANOVEL2DOFMICROPOSITIONALSTAGEDRIVENBYPIEZOELECTRICACTUATORPZTISDESIGNEDINTHISPAPERITISBASEDONTHESERIESSTRUCTUREOFRECTANGLEFLEXUREHINGESTHETANDEMSTRUCTUREISMORECOMPACTIONTHERECTANGLEFLEXUREHINGESOWNGREATERRANGEOFROTATIONANDAREEASIERTOMACHINE,COMPAREDWITHTHECIRCULARFLEXUREHINGESINTHISPAPE
4、R,WECHOOSETHEPARALLELFOURLINKSTRUCTUREWITHDOUBLEFLEXUREHINGESWHENTHESTAGEISDRIVENBYTHEPZT,ALLOFTHEFLEXUREHINGESWILLHAVEACERTAINDEFLECTIONTOMAKETHESTAGEMOVETHESAMEDEFLECTIONINTHEDRIVENDIRECTIONINTHETERMOFPROCESSINGANDASSEMBLYINCOMPLETESYMMETRY,THESYMMETRYOFTHESTRUCTUREPROTECTSTHESTAGEFROMCOUPLEDMOTIO
5、NINTHISPAPER,WEDESIGNA2DOFMICROPOSITIONALSTAGEWHICHOWNSARANGEOF30MICRONINXYDIRECTIONBASEDTHEEMPIRICALFORMULAWECHOOSETHEMATERIALANDTHESIZEOFTHESTAGE,THESIZEOFRECTANGLEFLEXUREHINGESWECALCULATETHEMAXIMUMSTRESSOFRECTANGLEFLEXUREHINGESANDCHECKTHESTRENGTHOFTHESTAGETHENWECALCULATETHEELASTICRESTORINGFORCEAN
6、DTHERIGIDITYOFTHESTAGEBASEDONTHOSE,WEDETERMINETHEPARAMETERSOFPZTTHEMAXIMUMOUTPUTDISPLACEMENT,THEMAXIMUMDRIVINGFORCEANDTHERIGIDITYOFPZTFINALLYWECHOOSETHESUITABLEPZTANDDRAWTHEGRAPHPAPERIN2DAND3DBYPRO/EANDAUTOCAD【KEYWORDS】MICROPOSITIONALSTAGETANDEMSTRUCTURERECTANGLEFLEXUREHINGESPIEZOELECTRICACTUATORIII
7、目录摘要I目录III1绪论111微动平台意义112国内外研究现状113论文工作52二维微动平台初始构型设计621设计要求622平台传动原理623结构简化83设计计算1031计算推导1032外平台计算1133内平台计算1334压电陶瓷驱动器的选取154结构设计1641平台铰链和载物面的设计1642引线、预紧孔、盖板安装孔的设计175回顾和展望19参考文献20致谢错误未定义书签。附录221绪论11微动平台意义现代精密仪器和机械的一个重要特点是高精度定位。由于集成电路制造、微型机械电子系统、精密测试系统和精密加工领域的快速发展，能够进行高精度、高速定位的微位移技术研究显得尤为重要。而微动平台是一种能
8、够提供微米级或亚微米级精确定位的维位移机构。微动平台主要应用于精度补偿、微进给、微调1。当今精密定位微动平台向着高精度和高速度的方向发展。该工作平台所需速度在20MM/S50MM/S，而其精度要求在01M以内，其常采用粗定位平台和精定位平台两个平台的结合来实现。该机构通过微位移定位平台来给粗定位平台运动中产生的误差进行精度补偿。微进给主要为精密仪器的对准微动机构和精密机械加工微进给机构提供微量精确进给，而微调对相应精密仪器进行微量调节。（见图11）12国内外研究现状在国内外研究中，二维微动平台常常采用基于柔性铰链式的串并联结构或以此为基础下进行进一步的优化拓展。下面分别介绍下各种串并联结构式和
9、其优化结构，柔性铰链结构，驱动方式。二维微动平台常采用串联和并联结构，或基于基本结构进行进一步的改进。国内外学者对其都有所研究。其中串联式传动结构相当于在一维微动大平台内又切割出一个垂直的一维微动小平台。虽然这种形式结构简单，不会对X方向和Y方向产生交叉耦合，即不需解耦，但其载物台面较小。（见图12）张建雄，孙宝元以双柔性平行四杆为基础，采用参数化分析的方法，得到对微动平台固有频率影响较大的参数，并计算出其相应的图11（A）精度补偿（B）微进给（C）微调2变化趋势。同时从理论和实验两方面对微动平台的固有频率特性进行了研究和分析，并从平台整个系统出发来考虑微动平台的设计，并提出了一种新的设计方法
10、，为设计具有高精度定位的微动平台提供了理论和实验依据2。而并联式传动结构其X方向和Y方向完全对称，这两个方向的参数完全相同，便于参数识别与微动平台控制。采用这种机构结构比串联式更紧凑，同尺寸下有较大的载物台，但在运动中易产生耦合运动，故结构设计中需考虑解耦，导致结构较为复杂。朱仁胜设计了一款全新的由压电驱动的二维微动平台。在这款平台中采取了直角双杆机构来代替平行四杆机构以实现二自由度上的运动（见图13）3。该直角双杆机构集成了串联式结构中大平台内嵌小平台式的平行四连杆机构在各自一自由度上的运动，实现了平台双自由度上的运动。这种并联式结构与串联式结构相较，极大地减小了二维微动平台的结构尺寸，同时
11、可以在一定程度上减小平台刚度。利用能量法及卡氏第二定理，其建立了关于计算微动平台刚度的数学模型，并基于此模型推导得微动平台前2阶固有频率。然后基于所得微动平台刚度公式，定量地分析了柔性铰链尺寸及铰链臂长度对微动平台刚度的影响。同时选取3组不同铰链及铰链臂尺寸参数的微动平台，通过有限元法进行相应的数值计算。所得结果和理论计算相比较，显示通过两种方法分别计算所得的结果吻合度很高，证明了所建理论模型的准确性。图12双柔性平行四杆式串联结构3采用柔性铰链结构传动、由压电陶瓷驱动的二维微动平台，无机械摩擦，定位精度高，结构简便。跟直接驱动方式相比，采用杠杆放大方式不仅增加了平台的有效行程范围，而且在一定
12、程度上减小压电陶瓷驱动器的所需电容，缩短了驱动器充放电时间，较大地提升了该系统响应速度（见图14）。张庆，王华坤，范元勋提出了一种二维微动工作台微位移机构的工作原理和设计4。该机构具有定位精度高、性能稳定、结构简便的特性。重点分析了相应的技术措施压电陶瓷驱动、柔性铰链与杠杆放大一体化结构，以此来消除机构间隙和微动平台爬行，并达到定位精确度高，响应迅速快的目的。图14杆放大机构图13直角并联式结构4黄金永，魏燕定，张炜提到柔性铰链具有结构小、传动平稳、无摩擦损失、定位精度高、有弹性恢复力等优点。因此柔性铰链的应用范围广泛，在精密加工机械、加速度计、精密天平、精密定位平台、导弹控制喷嘴形波导管天线
13、等仪器仪表中都有所应用5。采用柔性铰链传动结构来传递压电驱动器位移在多数状况下是最合适的选择。柔性铰链形式中用于微动平台的有矩形、圆弧形、椭圆形三种结构。其中矩形和圆弧形柔性铰链的应用是最广泛的。（见图15）矩形柔性铰链有较大的转动范围，在同尺寸铰链下能提供较大的行程位移，并且比较容易加工，但其运动精度较差，有应力集中现象。而圆弧形柔性铰链受力均匀，无应力集中现象，运动精度较高，但转动范围较小，能提供的行程位移较小并且加工较复杂。微动平台的驱动方式主要有电热式、电磁式、压电式、磁悬浮式、滚动导轨式。1在精密磨床的砂轮机微动上已采用电热式驱动，但有发热现象产生，难以到达高精度的要求。而电磁式驱动
14、有行程位移范围大、定位精度较高等优点，但当工作台保持一定位置时，始终保持通电的电磁圈产生的发热现象会影响到其定位精度，此外其位移相应灵敏度高时不稳定。而压电陶瓷驱动器PZT分辨能力高，体积较小，控制简单，无噪声，无热量，承载能力强，能实现微米级和亚微米级的定位精度。但其能提供的位移行程小，控制电压较高。目前，在要求高精密定位的技术领域，已广泛采用压电陶瓷驱动器。其中采用压电陶瓷驱动器PZT驱动的微动平台，其结构尺寸小，平台质量轻，无机械摩擦损失，定位精度高，传动无间隙。图15矩形和圆弧形柔性铰链513论文工作综合以上文献，微动平台选用的合适材料，多为不锈钢1CR18NI9TI、65MN高性能弹
15、簧钢和铝合金。而采用整体式结构并线切割加工制造的微定位平台，制造和装配精度高，结构尺寸小，无传动间隙，无机械摩擦，各部分热膨胀系数相等。为使微动平台性能优良，达到高精度定位，设计时需选取合理的铰链和平台尺寸并进行受力分析和强度校核，以使微动平台的刚度合适。其中并联式传动结构X、Y方向完全对称，参数完全相同，便于设计计算与微动平台控制。并联式结构微动平台具有尺寸较小，有效载物台较大的优点，但两方向驱动时平台有旋转倾向，结构上需考虑解耦使结构较为复杂。而串联式传动结构相当于在一维大工作平台内又线切割出一个垂直的一维小工作平台。这种形式不需考虑两方向运动时产生交叉耦合现象，结构上不需解耦，较为简便，
16、但整体平台尺寸较大，有效载物台面较小。本论文将基于串联结构，采用双柔性平行四连杆机构，以避免X方向和Y方向产生交叉耦合。而为满足较大的行程位移，将采用矩形柔性铰链机构作为传动机构。采用经验公式设计出一个X，Y方向驱动范围都为30微米的二维微动平台。确定压电微动平台的材料、几何尺寸，并对该平台进行强度校核，计算弹性恢复力与刚度。最后选取相应的压电陶瓷驱动器参数，并使用PROE和CAD绘制出相应的三维和二维零件和装配图纸。为探寻微位移技术的进步，尝试做出一番努力。62二维微动平台初始构型设计21设计要求1微动平台在X和Y方向上位移行程均为30微米。2确定矩形柔性铰链与微动平台的几何尺寸。3基于所确
17、定的矩形柔性铰链与微动平台的几何尺寸及位移行程，计算铰链的最大弯曲应力，校核微动平台的强度。4柔性铰链内部的弯曲应力应小于材料的许用应力。5计算微动平台的弹性恢复力和刚度。6为使微动平台具有较高的定位精度，在确保铰链所受应力在许用应力范围内下，应尽可能地减小铰链厚度。7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。压电陶瓷驱动器的最大驱动力应大于微动平台最大行程位移时的弹性恢复力。压电陶瓷去东区的刚度需远大于平台刚度。8压电陶瓷驱动器放置处壁厚需大于10毫米。22平台传动原理串联式传动结构相当于在一个一维大工作平台内线切割出一个垂直的一维小工作平台。故对其的设计可分化为对两个一维工作
18、平台的设计计算。（见图21）图中一个圆点代表一个矩形柔性铰链，而两邻边的圆点间代表一个铰链臂。故一个一维微动平台中有八个铰链，四个铰链臂。此种结构亦称作双柔性铰链平行四连杆机构。当微动平台受到驱动力作用时，八个铰链都将产生同等量的偏转，使微动台沿受力方向移动一定的位移。在确保加工和装配完全对称时，双柔性铰链平行四连杆机构的对称性能使微动平台不会产生耦合运动。在该结构下，选用一整块不锈钢材料经由线切割技术切割而成，微动平台具有无传动间隙，无机械摩擦，严格定位移动，结构简便等优点。7在微位移范围内，影响定位精度位的主要因素有导轨副间动静摩擦力，传动系统的刚度和间隙。为使驱动系统具有较高的位移分辨率
19、，即驱动模系统能对微小变化的输入位移有所响应，需对采用基于弹性变形原理的微位移机构进行分析研究。弹性支承导轨简图如图22所示输入位移X和输出位移Y之间的关系如下式中K1为传动刚度；K2为弹性导轨刚度；图21二维串联微动平台简化模型112YKXKK（1）8微动平台采用柔性铰链的弹性变形来得到微量位移，传动间没有间隙，仅存在弹性材料内部间分子摩擦，故驱动系统的位移分辨率和定位精度可以达到非常高。实际机构中，常采用压电陶瓷驱动器直接驱动的方式，即K2K1所以YX，平台输出位移完全由压电陶瓷驱动器输人位移决定。23结构简化本论文对二维微动平台设计，选取以压电陶瓷驱动器为驱动力，以矩形柔性铰链串联式为平
20、台结构形式。本论文中选取铝合金7075为微动平台的材料。材料性能为刚度模量E71GPA，抗拉强度为524MPA，屈服强度为455MPA，最大许用应力取2775MPA。表21不锈钢304材料成分规格FESIMNMGSCRZNTYPE707505004003000452102900180285161图22弹性支承导轨简图9采用矩形柔性铰链式串联压电式二维微动平台具有结构简便，无需解耦，无传动间隙，无机械摩擦，各部分热膨胀系数相等，行程位移范围大等优点。为保证微动平台能实现精确定位，设计时必须进行受力分析。合理地选择铰链的尺寸，确保微动平台具有合适刚度，从微动平台结构方面来提高平台系统的工作性能。同
21、时微动平台需采用一体式结构并用线切割技术加工，以提高加工和装配的精度。（见图23）图23二维矩形柔性铰链串联结构式103设计计算31计算推导本文采用如图31的矩形铰链结构作为传动机构。铰链高度为H，宽度为B，厚度为T，铰链长度为L，而铰链臂长度为L1。而图32为矩形铰链力学模型。AB为矩形铰链两端，F/4为铰链受到的作用力，F/4作用产生的转矩为MF，由此产生的偏角为。图32矩形铰链力学模型图31矩形铰链及铰链臂模型1112TEF（1）柔性铰链式微动平台受到驱动力的作用下，当平台平移距离时，弹性恢复力FT在运动过程中所做的功为此时8个柔性铰链存储着的弹性势能有由能量守恒定律得出，弹性恢复力FT
22、在运动过程中所做的功E与微动平台中柔性铰链的弹性势能E0相等。由EE0可得而对于铰链的偏转角铰链的刚度K为32外平台计算外平台中，矩形铰链尺寸取为B16MM，L6MM，L118MM，T2MM，H8MM。则铰链的刚度K由公式6得334EBTKL（6）1SINTAN2LL（5）20182EK（2）211822TFK8TKF（3）（4）12而30M30103MM，2LL1261830MM；根据公式（5）铰链偏转角为则弹性恢复力FT根据公式（4）求得而该外框微动平台的静刚度KT为而该铰链端面处受到最大的应力MAX3333333344711016102106101683NM/RADEBTKL133SIN
23、TAN2301030110RADLL2368816831103010449NTKFT44930150N/MTFK13远小于材料最大许用应力2275MPA。而平台强度也远小于材料最大许用应力2275MPA，所以设计可行。33内平台计算内平台中，矩形铰链尺寸取为B16MM，L5MM，L112MM，T2MM，H8MM。则铰链的刚度K由公式6得而30M30103MM，2LL1251222MM；根据公式（5）铰链偏转角为MAXMAX232336K6168311016102101578MPAMWBT6214144942610093MPATFANM33333333447110161021051029081N
24、M/RADEBTKL14则弹性恢复力FT根据公式（4）求得而该内框微动平台的静刚度KT为而该铰链端面处受到最大的应力MAX小于材料最大许用应力2275MPA。而平台强度133SINTAN230102213610RADLL236882908113610301014344NTKFT1434430478N/MTFKMAXMAX232336K6290811361016102103708MPAMWBT15也远小于材料最大许用应力2275MPA，所以设计可行。34压电陶瓷驱动器的选取根据外框平台各参数FT449N，KT15N/M，由于压电陶瓷驱动器安装在微动平台时要有一定的预紧力，则选取行程为40M。选取
25、合适的压电陶瓷驱动器外形尺寸101030，标称位移30M，最大位移40M，最大推力大于FT449N，刚度远大于KT15N/M。根据内框平台各参数FT14344N，KT478N/M，由于压电陶瓷驱动器安装在微动平台时要有一定的预紧力，则选取行程为40M。选取的压电陶瓷驱动器外形尺寸101030，标称位移30M，最大位移40M，最大推力大于FT14344N，刚度远大于KT478N/M。621411434442610299MPATFANM164结构设计41平台铰链和载物面的设计为防止铰链移动时与安装面发生摩擦而影响行程运动和精度，内部铰链机构上下端面回缩2毫米，如图41所示。而微动平台上下端面还需覆
26、盖上外罩，故载物平台端面还需要高出外框4毫米，并内缩4毫米。同时为了在载物台上能固定住加工物，需用螺钉固定，故在去四边角各打上M4螺纹口，如图42所示。图41微动平台上端面和下端面1742引线、预紧孔、盖板安装孔的设计从小孔中引出压电陶瓷驱动器引线，而大孔为预紧孔，起固定压电陶瓷驱动器的作用。为了让螺钉能安装进内框预紧孔，在外框上需打上直径为8MM的圆孔，以便螺钉能从此进入。（图43）图43载物台18外框压电陶瓷驱动器引线孔和预紧孔内框压电陶瓷驱动器引线孔和预紧孔图43引线孔、预紧孔、盖板安装孔195回顾和展望本论文设计了一种基于矩形柔性铰链式二维串联式由压电陶瓷驱动器驱动的微动平台。该微动平
27、台采用柔性铰链支撑的串联式设计结构，相当于在一维大微动平台内切割出一个相互垂直的一维小微动平台。而矩形柔性铰链较之圆弧型铰链具有更大的转动动范围，能提供更大的行程位移，同时易于加工。本论文选用了双柔性铰链平行四连杆结构。该结构在加工、装配完全对称的情况下能使微动台产生绝对的驱动方向位移，不会在垂直方向产生耦合运动。本论文采用经验公式设计了一个X，Y方向驱动范围都为30微米的二维微动平台。确定了压电微动平台的材料、几何尺寸及矩形柔性铰链几何尺寸，并根据所确定的矩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，计算出了矩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
28、恢复力、刚度，根据微动平台的弹性恢复力与刚度，确定压电陶瓷驱动器的参数最大输出位移、最大驱动力、刚度，并选取相应的压电陶瓷驱动器。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。通过此次设计，对于微动平台这一微米级定位精度的精密器械有了较深入的了解。相信未来微米级乃至纳米级定位精度的高精密仪器的研制，对于推进精密加工领域科技进步有着举足轻重的帮助。20参考文献1李庆祥,王东生,李玉和现代精密仪器设计M北京清华大学出版社，20042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,2006,2856246263朱仁胜新型微动工作台的设计与计算J合
29、肥工业大学学报自然科学版2008,3110158515894张庆,王华坤,范元勋精密微动工作台二维微位移机构的设计研究J组合机床与自动化加工技,2002,639425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,2006,23155576江溯,孙立宁,安辉,李国君机构、驱动、检测一体化的压电陶瓷直线驱动模块的研究J哈尔滨工业大学学报,1998,30434377王光亮,杨川二维微动工作台的设计与分析J机床与液压,2008,36514,88曹家勇,朱煜,段广洪,尹文生两类柔性微动直线导轨的刚度特性J清华大学学报自然科学版2006,5466336359张庆,王华坤,张世琪微机电系
30、统二维微动工作台微位移机构特性研究J机械与电子2002,10434510田延岭,张大卫,闫兵纳米级XY微定位平台的设计与研究J工艺与备,2005,12838811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,1998,19219219512吴鹰飞,周兆英柔性铰链的应用J中国机械工程,2002,13181615161813田俊张,宪民基于柔顺机构的两自由度微动精密定位平台的分析与设计J机械设计与制造2009,520520714荣伟彬,马立,孙立宁,谢晖,陈立国二维微动工作台分析及其优化设计方法J机械工程学报2006,425263015DSKANG,TWSEO,YH
31、YOON,BSSHIN,XJLIUANDJKIMAMICROPOSITIONINGPARALLELMECHANISMPLATFORMWITH100DEGREETILTINGCAPABILITYJ16WANGHUA,ZHANGXIANMININPUTCOUPLINGANALYSISANDOPTIMALDESIGNOFA3DOF21COMPLIANTMICROPOSITIONINGSTAGEJMECHANISMANDMACHINETHEORY43200840041017OH,KK,LIU,XJ,KANG,DSANDKIM,J,2004,OPTIMALDESIGNOFAMICROPARALLELPO
32、SITIONINGPLATFORMJ,PARTIKINEMATICANALYSIS,ROBOTICA,22200459960918SHINNO,H,HASHIZUME,H,2001,HIGHSPEEDNANOMETERPOSITIONINGUSINGAHYBRIDLINEARMOTORJ,CIRPANNALS,50200324324619TAKEUCHI,Y,SAKAIDA,Y,SAWADA,K,SATA,T,2000,DEVELOPMENTOFA5AXISCONTROLULTRAPRECISIONMILLINGMACHINEFORMICROMACHININGBASEDONNONFRICTIONSERVOMECHANISMSJ,CIRPANNALS,49200629529822附录附录1微动平台三维造型图微动平台三维造型图23附录2微动平台三维爆炸图微动平台三维爆炸图24附录3微动平台二维装配图微动平台二维装配图25附录4微动平台台体二维零件图微动平台台体二维零件图26附录5微动平台上盖二维零件图附录6微动平台下盖二维零件图微动平台上盖二维零件图27微动平台微动平台下盖二维零件图
