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；
柔性铰链的微动工作台：平行四杆结构，当在AC杆上加一个力F时，由于四个柔性铰链的形变，使AB杆在水平方向上产生一位移δ，而实现无摩擦、无间隙和高分辨率的微动；
电容式传感器电路：通过电容间距的变化，从而电路产生一个相应的电压量，实现位移量到电压量的转换，以便于直接观察与控制；
信号处理电路：用检波电路与低通电路，滤除高次谐波和干扰信号，从而得到想要的直流的周期信号；
A/D转换：把输出地直流模拟信号转换成离散的数字信号，实现模拟量到数字量的转换，并传入单片机处理；
单片机：主要用来控制A/D、D/A转换，并把相应的电压量用数字显示出来，以便直接的观察了解；
D/A转换：把单片机输出的数字量转化为模拟量，以便为后面的驱动电路提供一定的功率，使之能正常工作；
PID控制电路：改进反馈控制系统的性能，提高电路的稳定性、快速性无残差性的理想性能；
功率放大：放大输入的功率，为下级负载提供足够的大的功率；
总之，各功能模块的合理搭配，就实现了柔性铰链微动工作台的精密测量系统。
第三章 柔性铰链微动台设计
3.1 柔性铰链力学模型
柔性铰链结构示意图如2-1[1]，这里采用双圆弧柔性铰链其绕z 轴的转动刚度为：
5/21/22/9B K Ebt r π=
式中：E ：材料的弹性模量； t 、h ：铰链的厚度； b ：铰链的高度； r:铰链的圆弧半径;
图3-1柔性铰链结构示意图
驱动力对柔性铰链产生一个绕z 轴的力矩Mz ，使铰链绕z 轴偏转αz 角，而且：
1/2
5/2
92Z z M R Ebt
πα= Mz 在y 方向产生位移△y ：
3/2
5/2
92Z M R y Ebt π?=
3.2 微工作台设计 3.2.1 平行四杆机构
以柔性铰链为基本单元的弹性微动工作台采用压电伸缩微式位移器驱动，其基本结构如图3-2所示。通过在一块板材上加工开孔和开缝，使圆弧切口处形成弹性支点（即柔性铰链）与剩余的部分成为统一体，从而组成平行四杆结构，当在AC 杆上加一个力F 时，由于
四个柔性铰链的形变，使AB 杆在水平方向上产生一位移δ，而实现无摩擦、无间隙和高分分辨率的微动。
图3-2 柔性铰链的微动工作台
为增加弹性微动工作台的承载能力，并提高运动方向上的刚度，确保工作台具有良好的动态特性和抗干扰能力，在不增加工作台尺寸（即厚度ｂ）的前提下，应尽可能增大图3-2柔性铰链微动工作台模型柔性铰链细颈处的厚度ｔ，并减小圆弧切口的半径Ｒ。在这种情况下，t 往往大于或等于Ｒ。设计柔性铰链时应采用ｔ≥Ｒ条件下的设计方法。
3.2.2 微动台的基本模型及设计计算公式
如图3-2所示的微动工作台基本结构设计时进行下列假设：
①．工作台运动时，仅在柔性铰链处产生弹性变形，其他部分可认为是刚体； ②. 柔性铰链只产生转角变形，无伸缩及其他变形。
设四个柔性铰链的转角刚度K θ ，那么当四连杆机构在外力Ｆ的作用下产生δ的平移，每个柔性铰链所储存的弹性能为： 21
2
A K θθθ=K θθ 2
式中，θ=
l
δ
；K θ由查表得； 外力F 所做的功为： 1
2
A F δ=
由能量守恒定律：A=4A 0，可推导出弹性微动工作台的刚度值基本设计计算公式： 2
4
K K l θ
= 3.2.3 弹性微动台的设计
在设计时，首先完成整个工作的零件图及装配草图，选择材料，计算出该工作台的质量ｍ。确定柔性铰链的基本参数ｔ和Ｒ。柔性铰链的基本参数ｔ，Ｒ应满足下列工作要求： ①柔性铰链内部应力要小于材料的许用应力。在微位移范围内，此条件一般都能满足。 ②微位移器产生的最大位移输出时，微动台的弹性恢复力应小于微位移器的最大驱动力。 ③微动台的刚性应尽可能大，使其具有良好的动态特性和抗干扰能力。
根据微动工作台的结构原理，微动台的振动模型可以简化为一阶弹簧质量系统，故微动台的固有频率：
f =
—弹性为动台部分的质量)
本次设计中，微动工作台的尺寸范围为130mm ×100mm ×200mm ，固有频率f=219Hz ，刚度K= 0.35kg/μm,t=2mm,R=1.5mm,m=1.8kg 。
第四章 硬件设计
4.1 压电陶瓷微位移驱动器
压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构－－压电驱动器，它具有结构紧凑、体积小、分辨率高、控制简单等优点。
本次设计采用P-840 预负载开/闭环低压压电促动器（如图4-1），其特性如下： （1） 最大行程：180um ；
（2） 分辨率：小于1nm ，最小可达0.05nm ； （3） 刚度：最大可达1280N/um ； （4） 工作温度范围：-40℃～+150℃； （5） 最大推/拉里：可达30000N/3500N 。
图4-1 P-840 预负载开/闭环低压压电促动器
4.2 电容式传感器
4.2.1电容式传感器原理
对于位移、角位移、振动、压力、加速度以及液面位置、料面位置等物理量的变化换成电容量的变化，构成一个可变的电容器，即电容式传感器。电容式传感器结构简单，动态响应快，本身发热小，适合于非接触量。缺点是容易受寄生电容的影响和外界干扰。
由物理学可知，两平行极板组成的电容器如果不考虑非均匀电场引起的边缘效应，其电容量为：
S
C d
ε
= （4-1） 式中，ε为极板间介质的介电常数，ε=ε0?εr ，ε0为真空的介电常数，ε0=8.854×10-12F/m ，εr 是介质相对真空的介电常数，εr 空气≈1，其他介质材料εr 1；S 为极板覆盖
面积；d 为极板间距离。
由于被测量的变化引起电容式传感器有关参数ε，S ，d 的变化，使电容量C 也随之变化。据此，常见电容式传感器的类型有：变间隙（改变d ），变面积式（改变S ），变介电常
数式（改变ε）三种类型。
本次设计中由于改变电容间距，故采用的是变间隙式电容传感器[12]。
4.2.2变间隙式电容传感器
图4-2为变间隙式电容传感器的原理图。由式（4-1）可知C 与d 成反比，如极距有增量-△d ，电容量产生相应增量+△C 。
图4-2为变间隙式电容传感器
1
1S
C C C d d d
d
ε?+?=
=?
?-?-
/1/C d d
C d d
??=-? （4-2） 由冥级数1/(1/)d d -?展开式：
23[1()()]C d d d d
C d d d d
?????=++++ （4-3） 略去非线性项后得：
C d C d
??≈ 设 /1
c C C K
d d
?==? （4-4） 电容式传感器灵敏系数c K 的物理意义是单位位移引起的电容量相对变化大小。由于略去非线性项引起的相对非线性误差为：
'
(1)
d d d
C C d d d d C
d
δ???-+?-?==
?? |
|100%d
d
δ?=? （4-5） 可见极板间距越小，有利于提高林敏度，但间距d 过小易造成极板板间介质击穿，并且增加了极板的加工与安装难度。
4.2.2.1差动变间隙式电容传感器
为了改善非线性，并增加电容变化量，采用差动式（图4-3）。
图4-3差动变间隙式电容
由式（4-3）有
231[1()()]d d d d C C C C C
d d d d ????=+?=+++++ 同理，又有 232[1()()]d d d d C C C C C d d d d
????=-?=--+-+ 接成差动式，使输出为两电容量差，有
'21222[1()]d d
C C C C C
d d
???=-=?=++ 略去高次项得近似线性关系为：
'
2
C d
C d
??≈ （4-6） 则由差动式的灵敏系数：
''
/2c C C K d d
?==? （4-7）
相应的非线性误差：
2
''
'
''
2
2(1())2
d d d C C
d d d d C d
δ???-+?-?=
=??
'2
(
)100%d d
δ?=? （4-8） 比较式（4-4）与式（4-7），式（4-5）与式（4-8），知差动式可使灵敏度提高一倍，非线性误差也大为减少。
故本次设计采用差动变间隙式电容传感器。
4.3电容式传感器转换电路 4.3.1交流电桥（调幅电路）
图4-4变压器电桥的电路所示，C 1与C 2 以差动形式接入相邻两个桥臂，另两个桥臂接变压器的二个次级线圈[12]
.
图4-4变压器电桥的电路
当交流电桥处于平衡位置时，电容传感器的起始电容量C 1与C 2 相等，两者容抗相等，
1212
11
Z Z j C j C ωω==
=
电容传感器工作在平衡位置附近时，有电容变化量输出时12C C ≠，则12Z Z ≠，根据式（4-1）有：
'1S
C d d
ε?=
+?； '
2S
C d d
ε?=
-?
由图知，次级线圈感应电动势为E
，则空载输出电压为：
21
021212
Z Z E E U Z E E Z Z Z Z -+=-=++
（4-9）
又有： 1'11d d Z j C j S ωωε+?=
=；2'
21d d
Z j C j S
ωωε-?== s d
U E d
?=
（4-10） 可见电桥输出电压除与被测量变化d ?有关外，还与电桥电源电压有关，要求电源电压
采取稳幅和稳频措施。
4.3.2 精密检波电路
图4-5为线性全波检波电路原理图[3]
图4-5 线性全波检波电路
该电路取R1=R3=R4=R5=R2/2。
在调幅波Us 为正半周期，D1截止，D2导通，即N1运放闭环导通，则N1的输出电压U A 为：
2
1
2A S S R u u u R =-
=- N2组成相加放大器，其输出为：
4
05
()2S A S S S R u u u u u u R =-
+=-= 在调幅波Us 为负半周期时，D1导通，D2截止，即U A =0，U 0 =-Us ，所以
0||S u u =
从而得到全波整流信号，同时N2与R3、R4、C 等构成低通滤波器，去除混在U 0的高次谐波，得到只含直流量的周期信号。
4.4 AD7703
AD7703为20脚双列直插式封装.图4-6所示°AD7703是美国 AD 公司生产的20位模数转换器 ，它的非线性为0.0003%，并具有可选的校验方式以及温度工作范围宽 (一般为-40℃ - 80)、抗干扰能力强、灵活的串行接口等特点，适用于工业测控过程、便携式仪表等领域的信号采样。
4.4.1 各引脚定义
MODE:.串行口方式选择端，MODE 为1时为内同步，MODE 为0时为外同步；
CLKIN ：时钟输入端.当采用外部时钟时，CLKIN 为外时钟输入端，CLKOUT 端不用； CLKOUT ：时钟输出端.当采用内部时钟时，此脚为内时钟输出端； SC1和SC2：系统校准方式选择端，可组合选择AD7703的校准方式.； DGND 和AGND ：数字地与模拟地；
AVDD AVSS ：模拟正负电源.通常为±5V ； DVDD DVSS ：数字正负电源.通常为±5V ；
AIN ：模拟信号输入端.范围为0-+2.5V （.单极性时）或±2.5V （双极性时）； VREF ：参考电源电压输入端.通常接+2.5V 基准电压；
SLEEP ：睡眠工作方式设置端，此脚接地时为睡眠工作方式；
BP/UP 端：单双极性输入方式选择端，低电平时为单极性，高电平时为双极性； CAL ：校准控制端，CAL=1时启动自校准； CS ：片选端.当CS=0时发送数据；
DRDY ：数据输出准备信号，为低时表示数据寄存器内的数据准备好，数据传送结束后，该脚变为高电平；
SCL ：串行时钟输入/输出端； SDATA ：.串行数据输出端；
图4-6 AD7703
4.4.2 AD7703的工作方式
AD7703的串行数据接口的两种方式由MODE信号选择。当MODE=1时，工作在片内时钟同步SCC方式，数据由片内产生的串行时钟SCLK同步控制输出。当MODE=0时，AD7703工作在外部时钟同步SEC的方式，这是一种比较常用的方式，本次设计就采用该方式，采用SEC方式读数据时，要求51单片机的P1.3能为AD7703提供外部同步时钟以便读出数据。图4-7是AD7703工作在SEC方式下的一种典型应用连接图。
图4-7
4.5 MC-51单片机
MC-51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。按功能可分为：微处理器（CPU）、数据储存器（RAM）、程序储存器（ROM）、并行口（P0、P1、P2、P3）、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）【5】。
图4-8所示为80C51双列之插封装方式的引脚。其40个引脚按功能，可分为3类：
（1）电源及时钟引脚：Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2
Vcc：接+5V；Vss：接地；
XTAL1：接外部晶体的引脚，是内部反相放大器的输入端，其构成了内部振荡器，外接晶体振荡器时，该引脚接地；
XTAL2：接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部时钟振荡器，该引脚接收时钟振荡器信号。
（2）控制引脚：PSEN、ALE、EA、RSET（即RST）
RST/V PD：RST为复位信号输入端，高电平有效；V PD为本引脚第二功能，即备用电源的输入端；
/
ALE PROG：ALE为地址锁存允许信号，当单片机访问外部存储器时ALE输出信号的负跳沿用作低8位地址的锁存信号。PROG为本引脚第二功能，在对片内EPROM型单片机编程写入，该引脚为编程脉冲输入端；
PSEN：程序存储器允许输出控制端。在单片机访问外部程序存储器时，该引脚输出的负脉冲作为读外部程序存储器的选通信号；
EA：EA为内外程序存储器选择端，当EA端为高电平时，单片机访问内部程序存储器，但在PC超过0FFFH时，将自动转向执行外部程序存储器；当EA为低电平时，则只访问外部程序存储器。
（3）I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为8为I/O口引脚的外部引脚
P0口：双向8为三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口；
P1口：8位准双向I/O口；
P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用；
P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口。
图4-8 80C51双列之插封装方式的引脚
4.6 LED显示器与键盘接口
LED是发光二极管的缩写。LED显示器由发光二极管构成的，所以在显示器前面冠以“LED”。LED显示器有共阴极和共阳极之分。常用LED显示器有7段发光二极管，再加上一个小数点共计8段。各段与各字节对应关系如下
键盘在单片机应用系统中能实现单片机输入数据、传递命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。
图4-9是LED显示器与键盘接口与单片机的连接图[5]
图4-9
4.7 DAC1220
DAC1220是一种非常适合于过程控制场合的低功耗D/A转换器。它采用Δ-∑转换技术，实现了２０位线性转换，通过内置的满度、零点和线性修正寄存器，可以自动进行校准功能，保证了转换的准确性。
图4-10为其引脚排列图，其引脚功能如下：
DVDD:数字电源，通常为＋５Ｖ；
XOUT:系统时钟输出；
XIN:系统时钟输入；
DGND数字地；
AVDD:模拟电源，通常为＋５Ｖ；
DNC:空；
C1、C2：滤波电容；
VOUT:直流电压输出；
VREF:基准电压输入；
AGND：模拟地；
CS：片选信号输入；
SDIO：串行数据输入／输出；
SCLK：串行数据输入／输出的时钟输入。
图4-10 DAC1220引脚排列图
DAC1220的内部重要寄存器：指令寄存器、命令寄存器
（1）指令寄存器（INSR）
每次串行通信都必须以向指令寄存器中写指令开始。它决定了要访问DAC1220中哪个寄存器，访问多少字节，是写还是读。
/
R W:用于设定下一步对寄存器进行读操作还是写操作；
MB1、MB0：用于设定下一步将要进行读写操作的字节长度；
A3、A2、A1、A0：用于设定下一步将要访问的寄存器。
（2）命令寄存器（CMR）
命令寄存器由2个字节组成，决定了DAC1220的工作方式和状态
第1个字节
RES:设定转换位数，=0,16位；=1,20位；
CLR：清数据输入寄存器，使输出电压为0；
DF：设定输出电压形式，=0，双极性；=1，单极性；
DISF：设定内置滤波器使能；
BD:设定寄存器字节地址的递增递减方向。=0，递减；=1，递增；
MSB：用于控制字节在串行传输时，是先送高位还是低位；
MD1、MD2：设定DAC1220工作方式
ADPT：自适应滤波器使能位；
SH：采用/保持器接入使能位；
CRST:校准寄存器复位使能位。
DAC1220与MC51单片机的接口电路如下图4-11
图4-11
4.8 PID调节器
在控制系统中，为了改变反馈控制系统的性能，人们经常选择各种各样的校正装置，其中最简单最通用为比例-积分-微分校正装置，简称PID校正装置或PID控制器。一般在合理地优化K P（比例增益），K I（积分增益）和K D（微分增益）的参数后，可以使系统具有提高稳定性、快速响应、无残差等理想的性能[9]。
图4-12所示为P、PI、PD三种运算电路串联构成的PID调节电路[10]。假设各电路的输入阻抗很大，输出阻抗足够小，则各电路串联后，总的传递函数为各传递函数的乘积。
图4-12 PID调节电路[
PID运算电路总的传递函数为：
123123123
11
111()()()()11111D D D D I I I P P P P P P D D I I D D I I I I D
T T s
T s T s T T s
H s H s H s H s K K K K K K T s T T s
K T s K K K T K T s K +
++++===+++++通常要求1D D I I T K K T ，可忽略，得 1()1
1D D D
I P
I I D
T T s
FT s F
H s K T s K T s K +
+=++ 式中 32141P R R K R R =
；62651
P R K R R n ==+；31
m P C K C =；
D K n =；1m I C K C =
； 1D I
T F T =+ P K 、D T 、I T 称为调节器的调节整定参数，可在一定范围内调整 4.9 功率放大电路
在实用电路中，往往要求放大电路的输出级输出一定的功率，以驱动负载。能够向负载
提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放。功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是在追求电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。
本文采用LM386型号的集成功率放大电路，图4-13所示为LM386电压增益最大法[3]，C3使引脚1和8在交流通路中短路，使Au ≈200；C4为旁路电容；C5为去耦电容，滤掉电源的高频交流成分。
图4-13 LM386电压增益最大法
静态时输出电容上电压为Vcc/2，LM386的最大不是真输出电压峰峰值约为电源电压Vcc 。设负载电阻为R L ，最大输出功率为：
28om L L
Vcc P R ≈=
第五章软件设计
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2012年测控复习纲要修正版
1.能量流，材料流和信息流。 2.数据库、程序库和输入输出人机通信系统。 3.所谓可靠性，是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。 固有可靠性、使用可靠性和环境适应性 4.分辨力是显示装置能有效辨别的最小示值；鉴别力是使测量仪器产生未察 觉的响应变化的最大激励变化。 5.稳定性是指测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力；漂移是指仪器 计量特性的慢变化。 6.示值范围又称为量程，测量范围是测量仪器允许范围内的被测量值。 7.标尺间隔示值对应标尺两相邻标记的两个值之差，分度值示值一个标尺间隔 所代表的被测量值。 8.仪器误差产生的原因是多方面的，从数学特性上看原理误差多为系统误差， 制造误差和运行误差多为随机误差。 9.传递位移的方式有推力传动和摩擦力传动。 10.对于推力传动其作用线是两构件接触区的公法线，对于摩擦力传动则是 公切线。 11.若略去某项误差对总误差的影响小于不略去结果的1/10，则可视为微小误差。 根据微小误差定义，测量仪器和测量标准的误差只需小于测量总误差的1/3,则对测量结果的影响是微不足道的。 12.检测与测量就是把被测量与标准量进行比较的过程。测量的精度首先取决于 标准量的精度。 13.标准量根据标准量体现的标准值的个数可以分为单值和多值两种。根据计量 值方法可分为绝对码和增量码。 14.标准量可分为实物标准量与自然标准量。自然标准量是以光波波长为标准的。 15.在几何量中按被测参数，可分为长度标准量、角度标准量和复合参数标准量。 16.对仪器的支承件设计要求，具有足够刚度，力变形要小；稳定性好，内应力 变形小；热变形要小；有良好抗振性。 17.按导轨面间摩擦性质，导轨可分为滑动摩擦导轨、滚动导轨、静压导轨和弹 性摩擦导轨。 18.导轨的基本功能是传递精密直线运动，导向精度是其最重要的精度要求。 19.凡作回转运动的仪器中都必须有主轴系统，其由主轴、轴承及安装在主轴上 的传动件或分度元件组成。 20.轴系的误差运动是指在规定的轴向和径向位置上，以及规定的方向上，指定 的旋转物体相对轴线平均线的位置变化。 21.主轴回转精度是主轴系统设计的关键。轴系误差运动可分为径向误差运动、 轴向误差运动、倾角误差运动以及端面误差运动。 22.动压轴承获得动压的条件是：结构上必须有斜楔，轴系之间必须有一定粘度 的润滑油。 23.按控制技术分，控制系统可分为闭环控制系统，开环控制系统和半闭环控制 系统。 24.新型微位移器件压电器件是利用逆压电效应工作的，电致伸缩材料是利用电 致伸缩效应工作的。 25.柔性铰链的类型一般分为单轴柔性铰链和双轴柔性铰链。 26.电路与软件系统的设计准则包括：总线化准则，模块化准则和电磁兼容性准
用于大载荷主动振动控制平台的柔性铰链设计和实验研究
第６期 ２００９年６月 机械设计与制造 ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ１０１ 文章编号：１００ｌ一３９９７（２００９）０６－０１０ｌ＿０３ 用于大载荷主动振动控制平台的柔性铰链 设计和实验研究宰 高艳蕾李琳 （北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京１０００８３） Ｔｈｅｄｅｓｊｇｎａｎｄｅｘｐｅｒ．ｍｅｎｔｏｆｔｈｅｆＩｅｘｉｂＩｅｈｉｎｇｅｕｓｅｄＯｎｔｈｅａｃｔｉＶｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓＯＩａｔｉＯｎ ｐＩａｔｆｏｒｍｗｉｔｈｈｉｇｈｐａｙＩｏａｄ ＧＡＯＹａｎ—ｌｅｉ．ＵＩＪｉｎ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＪｅｔＰｍｐｕｌｓｉｏｎ，ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒ￥ｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇｌ０００８３，Ｃｈｉｎａ） Ｄ６￡反船ｄｔ危ｒＤ“醇琥ｅｅ印ｅ矗，聊彤，彬＾记矗蠡ｃｏ瑚括抛耐幻ｆｋｆｋｏｒｅ斑以 ＾ｉ，ｔ鲈加ｉ琥ｔ７诂ｃｏ，，垆ｏｎｎｄｓｔｒ乞圮ｆｚ朋ｆｄ瓠ｉ缈缸．，锄咭７诂ｒｃＤ，班ｒ，ｎｅ正 ’ ● ！ ● ！ ｆ ● ； ｊ ｉｓｏｌａｔｉ彻ｐｌａｔ｜ｆ细；Ｍａ驴ｅｔ嬲ｔｊｃｔｉｖｅａｃｔＩｌ｜ａｔ叫；ｎｅ）｜ｄｂｌｅｌｌｉｎｇｅ！ ◆－＋－¨－＋－?●＿一◆’◆－●■－●－◆ｏ◆‘＋‘＋－＋－?●一－＋－＋－●．．－◆ｏ◆ｏ◆ｏ◆－◆－◆ｏ＋峥巾●．，中图分类号：ＴＨｌ２３文献标识码：Ａ １引言 现代武器高精度瞄准、定位、制导、通信和精密加工中的超静度隔振制稳要求往往归结为微位移和微振动的高精度控制。具有微米量级结构动力特性的连接结构的设计是高精度武器平台减振致稳中的—个不可忽视的技术环节。普通球铰由于加工中不可避免的间隙难以满足高精度武器平台的要求。柔性铰链跟球铰相比由于自身没有机械结构上的间隙，不需要润滑。运动平稳，并且有弹性恢复力。无摩擦和碰撞的优势，广泛应用在陀螺仪、精密微动平台、激光焊接、主动振动控制平台等装置中。柔性铰链有单轴、双轴和万向铰链，如图ｌ所示。 图１单轴、双轴和万向柔性铰链 在大载荷主动振动控制平台中，柔性铰链的设计首先要考虑到平台工作载荷对铰链的影响，若将柔性铰链采用较软的材料并将薄弱部分做得很小可以将承受的力矩降到很小，但同时也将大大减弱承受轴向力的能力，无法满足大载荷的要求。针对大载荷主动振动控制平台的特点，本文提出了一种复合式柔性铰链设计结构，通过采用两种不同的材料及结构来解决上述设计与加工中的问题，同时给出轴向刚度和转角刚度的设计公式，确定满足一★来稿日期：２００８＿０８一１８★基金项目：国家自然科学基金（６０５３４０２０）定载荷条件下柔性铰链结构参数，并利用ＡＮｓＹｓ分析了柔性铰链最大受力时的应力分布情况，对其进行了强度校核，最后进行刚度实验，进—步验证自行设计的柔性铰链设计的正确性和实用性。２主动振动控制平台中柔性铰链设计如图２所示，的主动振动控制平台设计柔性铰链，其中主动元件采用磁滞伸缩材料制成的作动器，由于磁滞伸缩材料作动器本身不能承受过大的剪切力，因此将柔性铰链分别与磁滞伸缩作动器输出端和固定端相连，可将作动器视为二力杆，即作动器只承受沿其轴向方向（即驱动力输出方向）的力作用。 图２丰动振动拧制平台 主动振动控制平台中柔性铰链的设计形式与其隔振自由度有关，多自由度方向主动振动控制平台中柔性铰链—般采用万向柔性铰链设计形式，同时柔性铰链的弯曲刚度是设计的关键。作为骨架的圆柱形金属芯棒主要用于承受沿芯棒轴线方向的集中力。芯棒的直径可以在满足拉压强度需求的条件下设计得足够小。我们知道受 到轴向压缩的金属芯棒，当轴向力增大到某—个极限值时，芯棒可 万方数据
柔性铰链位移放大机构设计
柔性铰链位移放大机构 1 机构简介 柔性机构是一类利用材料的弹性变形传递或转换运动、力或能量的新型机构实施运动时如果通过某种特殊的柔性单元——柔性铰链来实现，则通常称为柔性铰链机构，这类机构通常应用在精密工程场合，因此又称为柔性精微机构。在仿生机械及机器人等领域，柔性机构也发挥着越来越重要的作用，该类机构通常又被称为柔性仿生机构,下文都简称为柔性机构。 较之于传统的刚性机构，柔性机构具有许多优点： ⑴整体化设计和加工，可简化结构、减小体积和质量、免于装配； ⑵无间隙和摩擦，可实现高精度运动； ⑶免于磨损，提高寿命； ⑷免于润滑，避免污染； ⑸增大结构刚度。 柔性铰链是近年来发展起来的一种新型机械传动和支撑机构,利用其结构薄弱部分的弹性变形实现类似普通铰链的运动传递,具有无摩擦、无间隙、运动灵敏度高的特点，在微型机械中,柔性铰链常作为位移放大器,可将位移放大到数百微米,极大地拓展了微位移驱动器的应用范围和应用领域。 伴随着微纳米技术所引发的制造、信息、材料生物和医疗等众多领域的革命性变化，使得柔性机构在微电子、光电子的微制造和微操作、微机电系统和生物医学工程等纳米定位中得到了广泛的应用。在精微领域，柔性机构可以设计作为传动装置执行器和传感器等，不过，距离实际应用还面临若干理论与技术层面上的挑战，相对刚性机构而言，柔性机构的系统研究不过才刚刚走完20年的历程，很多理论及方法还不完善。 2 机构的结构特征 本次设计超磁致伸缩致动器中采用的最大设计输出位移为45μm,最小输出
力为500N;柔性铰链放大机构的设计输出负载大于80 N,输出位移大于300μm。因此放大机构放大倍数必须大于6.67，所以选用的是一种两级对称式柔性铰链位移放大机构，图1为该放大机构,各铰链节点为单轴圆弧型结构,依靠节点微转动变形实现运动的传递或位移的放大。整个机构为对称式结构,有较高的整体刚性,输入位移可通过左右两条运放链向输出点进行传递,理论上可完全消除机构的侧向附加位移,有效地减小了自身的纵向耦合位移误差。 图4-1 两级对称式位移放大机构 图4-2 位移放大机构原理图
全柔性机构与MEMS
文章编号 1004-924X (2001)01-0001-05 全柔性机构与MEMS 于靖军,宗光华,毕树生 (北京航空航天大学机器人研究所,北京 100083) 摘要:柔性机构是一种新型机构。首先描述了柔性机构和全柔性机构的概念及特点,论述了它们与M EM S 之间的关系。然后详细介绍了全柔性机构在M EM S 领域内包括微装配、微操作等应用背景下的状况及前景。最后就对全柔性机构研究中的几个关键技术问题如机构的分析、设计及加工,柔性铰链的选择与设计,驱动器的选择及设计等进行了探讨。 关 键 词:柔性机构;全柔性机构;柔性铰链;微型机电系统中图分类号:A T P 23 文献标识码:A 1 引 言 在机构学领域,一些学者已着手一类新型机构的研究,并在国际上逐渐成为研究的热点。就像当时的并联机构那样。这类机构被M idha 等[1]赋予了一个专门的术语——“柔性机构”。柔性机构是指在设计中采用大变形柔性元素,而非全部采用刚性元件的一类机构。这种柔性是我们所希望具有的,并利用它来输出运动或力,与通常意义上的柔性杆(flex ible link)机构有所不同。 有一类典型的柔性机构称为“全柔性机构”,它包括两种:一种是“具有集中柔度的全柔性机构”(lumped compliance compliant m echanism 简称LCCM ),其特征是用柔性运动副代替了全部传统运动副。另一类是“具有分布柔度的全柔性机构”(distr ibuted compliance com pliant mecha-nism 简称DCCM ),其特征是整个机构中并无任何铰链的存在,这种柔性相对均衡地分布在整个机构之中。 无论是上述两种全柔性机构中的哪一种,都具有以下几个优点:(1)可单片设计以简化结构、免于装配;(2)无间隙和摩擦,可实现高精度运动;(3)免于润滑、避免污染;(4)免于磨损,提高寿命。基于全柔性机构所具有的这些优点,并考虑到MEM S 产品本身具有的特性,目前全柔性机构已扩展到M EMS (microelectromechanical sy s-tem )等应用领域。目前,M EM S 领域的研究工作主要围绕以下专题展开这一前沿技术的攻关:(1)集成化微型仪器与传感器;(2)微加工与测试技术;(3)微操作系统。其中专题(1)属于真正物理尺度范畴下的MEM S ,即所谓微米/纳米技术。专题(2)(3)所涉及加工、测试、操作的对象当在微观尺度下,不过系统本身并不囿于这样的概念。 本文将从机构学的角度来讨论MEM S 产品的实现方法及途径。为此,首先详细阐述了全柔性机构与MEM S 之间的关系,然后从不同的应用领域出发介绍全柔性机构在M EM S 中的应用。同时也就目前对全柔性机构研究中的若干关键技术做一些初步的探讨。 2 柔性M EM S [2] 在设计中,人与自然之间的差异可体现在结构方式上。传统意义上,工程上的装置都设计成刚而强的,系统也通常由不同的部件(或部分)组合而成。而自然界中的设计却是强柔并济的,系统浑然一体。许多生物体都是通过利用柔性将能量转化为精妙复杂的运动。例如,许多昆虫依靠柔性来拍打翅膀,蜈蚣依赖柔性完成掘洞和其他的功能,跳蚤也是如此,其腿部通过特定的柔性设计,可将其肌肉内储存的能量很快地释放出来并产生跳跃动作。在自然界中,近90%的生物体是无脊椎动 收稿日期:2000-10-20;修订日期:2000-11-01 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50075010); 863高技术资助项目(863-512-98-04-26) 第9卷 第1期 光学 精密工程 Vol .9,No .12001年2月 OP T ICS A N D PR ECISI ON EN GIN EERI NG Feb.,2001
基于变厚度交叉簧片柔性铰链的3-PRR柔性并联平台力柔顺控制研究
Abstract The compliant parallel platform combines the advantages of flexible hinges and parallel platforms and is widely used in precision platforms. However, the flexible hinge in the platform generally has a small range of motion and may have a parasitic motion, which limits the motion space of the compliant parallel platform. In this paper, based on the analysis of traditional cross-reinforced flexible hinges, a cross-spring flexure pivot with variable cross-thickness with large stroke and low axial drift was studied and applied to the 3-PRR parallel platform. Then the force-flexible control study was performed on the 3-PRR flexible parallel platform. In this paper, the concept of the cross-spring flexure pivots with variable cross-thickness is introduced firstly, and the relationship between the variable cross-section coefficient of the spring leaves and the rotation angle of the flexure pivot is analyzed through finite element simulation, and the appropriate variable cross-section coefficient is selected. Based on the modified Awart constraint beam model, the load-displacement relationship was derived for the selected cross-spring. The mechanical model of the flexure pivots was further established. The results were compared with the finite element simulation, which verified. the correctness of the deformation model of the flexure pivots established in this paper. Then, a 3-PRR compliant parallel platform was designed by combining the flexure pivots and a 3-PRR planar parallel platform. The inverse kinematics and positive kinematics of the rigid platform are solved by the closed loop vector method and the velocity Jacobian matrix iterative method, respectively. Deformation equations of simultaneous hinges, displacement coordination equations and static equilibrium equations of compliant parallel platforms are jointly solved for kinematic models of compliant parallel platforms. Comparing the kinematic model of the rigid and compliant parallel platform with the finite element simulation results, the accuracy and necessity of the kinematics modeling of the compliant parallel platform are verified. However, because the kinematics model of the compliant platform is complex and the computing speed is slow, so the BP neural network is used to solve the kinematics model of the compliant parallel platform. Then the position control experiment was performed with the aid of a laser displacement sensor and the accuracy of the position control was verified. Finally, for the problem of force compliance of 3-PRR compliant parallel platform, firstly, the classical position-based impedance control is studied. The simulation system is designed and constructed. The influence of impedance parameters on control performance is analyzed through simulation. Then by analyzing the steady-state error of
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
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））。
一种正交型压电位移放大机构的研究_徐志科
收稿日期:2007-10-10 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50277006) 作者简介:徐志科(1978-),男,江苏常州人,讲师,博士,主要从事超声波电机、压电致动器的研究。 文章编号:1004 -2474(2009)02-0207-03一种正交型压电位移放大机构的研究 徐志科,鄢 珂,金 龙 (东南大学电气工程学院,江苏南京210096) 摘 要:叠层型压电陶瓷利用逆压电效应可得到精确的微位移量,用作执行器。基于正交三角放大原理设计 了一种微位移放大机构。通过有限元法分析设计放大机构,使其将叠层型压电微位移器的位移量放大。研制了样机,并对其进行静、动态性能实验。实验结果表明,该机构各项指标均达到设计要求,证明了设计理论的正确性。 关键词:放大机构;压电叠层;正交放大中图分类号:T P212 文献标识码:A Research of O rthoconal Micro -displacement Amplifier with Piezoelectic Actuator XU Zh-i ke,YAN Ke,JIN Long (Dept.of Electrical Engineering,South east U nivers ity,Nanjin g 210096,China) Abstract:U sing conv er se piezoelect ric effect ,piezo electric stack w as used as an act uato r to g et the precision m-i cr o displacement,A micro -displacement amplifying mechanism w as pr esented,which w as based on the principles o f ort ho go nal triang le amplificat ion.T he amplif ier was driv en by piezo electric stack actuator s.T he displacement o f pie -zoelectr ic actuators was amplified by the amplify ing mechanism,which w ere analy zed thro ug h the f inite element met ho d.T he pro toty pe w as fabricated by machining ,and then the ex per iment and analysis of the dy nam ics and st at ic char acter istics for the pr oto type wer e car ried out.A ll design pa rameters achieved and the design theor y also pr oved its cor rectness in the ex periment. Key words:am plify ing mechanism;piezoelect ric stack;o rthog onal amplificatio n 压电微位移器以其体积小,线形度好,输出力大,分辨率高和易控制等优点,成为微机电领域新的热点。尤其是叠层型压电微位移器,作为驱动元件在精密机械电子领域得到了广泛应用[1-3] 。但因其驱动位移较小,如长为45mm 的压电叠层型微位移器在100V 的电压激励下,位移输出量仅20几微米,使其应用范围受到了限制。 近年来,国内外学者提出了杠杆放大、三角放大、压曲放大、柔性铰链等多种压电位移放大机构的设计,国内以柔性铰链型放大机构为主[4-8]。但柔性铰链结构输出力较小,线性度不好,设计复杂,响应特性不佳,柔性部件变形引起的运动也受变形部分强度所限[9] 。K.U chino 等提出的Mo onies 、Cy m -bals 等位移放大方案,采用的是对称结构,压电叠层的位移形变方向与输出形变方向垂直正交,在位移放大的同时,能得到很大的输出力[10-12]。法国学者也有类似的研究[13]。 基于正交三角放大原理研究了一种压电微位移放大机构,并采用有限元法进行优化分析设计。研制出样机,并通过静、动态分析实验对理论分析结果进行了验证。 1 叠层型压电陶瓷及其特性 压电陶瓷利用逆压电效应,将电能直接转化成机械能。这种机电耦合关系可用压电方程表述 为[14 -15] {S}=[s]E {T }+[d]t {E}{D}=[d]{T }+[E ]T {E} (1) 式中 {T}、{S}分别为压电弹性体的应力、应变向量;{D}、{E}分别为压电体的电位移和电场强度向量;[d]为压电应变常数矩阵;[E ] T 为零应力(或常 应力)状态下的介电常数矩阵;[s]E 为无外电场(或恒定电场)状态下的弹性柔顺矩阵;[d]T 为矩阵[d]的转置矩阵。 由于单片压电陶瓷微位移量有限,因此将多片压电陶瓷构成叠层。叠层中的压电陶瓷片采用机械上串联和电学上并联的形式连接,可在较低的驱动电压下得到较大的微位移量。 由n 个几何、物理参数相同的压电片组成的叠层型压电陶瓷,在理想情况和相同电压驱动下,各压电片间不存在能量损耗,其输出位移D i 和相位均相同。因此,叠层型压电陶瓷的总位移输出可认为是 第31卷第2期压 电 与 声 光 Vo l.31No.22009年4月 PI EZO EL ECT ECT RI CS &ACO U ST OO PT ICS Apr.2009
第二章-柔性铰链的分类与分析
2.2柔性铰链的分类与分析 柔性铰链是利用材料的变形产生位移的一种特殊运动副，用于提供绕轴作复杂运动的有限角位移，具有无机械摩擦、无间隙、易维护、分辨率高和可一体化加工等优点。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，而且这种弹性变形是可逆的。[现代精密机械设计]，如图2.1所示。 图2.1 柔性铰链结构简图 Fig.2.1Diagram of flexure hinge 2.2.1柔性铰链的分类及编号 自20世纪60年代以来，国内外学者、科研院校及研究机构对柔性铰链进行了多方面的研究，包括理论计算、结构创新设计及应用等方面。 按目前国内外的发展研究状况，柔性铰链按其切口形状可分为单边的和双边的，按其截面曲线分为单一的和混合的；按运动副分可分为转动副、移动副和球副，按其传递运动和能量的方向分单轴柔性铰链、双轴柔性铰链、万向柔性铰链和柔性联杆。按照横截面的不同形状，可以分为：矩形截面柔性铰链和圆形截面柔性铰链。按研究出现的先后顺序可分为传统的柔性铰链和典型的大变形柔性铰链。还有其他特殊类型的如弓形柔性铰链、三角形柔性铰链、叶状形的柔性铰链、簧片式的柔性铰链等等。根据以上的分析可将柔性铰链分成以下三大类，如表2-1,2-2,2-3所示。 表2-1基本曲线规则截面单轴柔性铰链（Single-Axis Flexure Hinges）
表2-3双轴柔性铰链（Two-Axis Flexure Hinges）
编号规则： 1、大写代表单轴对称，即双边切口，小写代表单轴不对称，即单边切口。例S-代表单轴双切口、s-代表单轴单切口。 2、第一个字母代表自由度的个数，及S-、T-、M-分别代表单轴、双轴和多轴。 3、第二个字母代表切口类型，混合型的为两个同类型的字母组合。 4、在双轴铰链中，最后一个字母代表组合后两铰链轴线的相对位置。V-代表垂直，P-代表平行。第三个字母NC-代表非同位配置，C-代表同位配置。 2.2.2柔性铰链的计算与分析 关于柔性铰链的设计研究，柔性铰链刚度的理论研究大都停留在单轴柔性铰链的范围内，有关单轴柔性铰链分析建模的研究主要包括弹性梁理论、卡氏第二定理、逆保角映射理论和有限元分析方法等，工程实践中一般采用数值积分法和有限元分析方法。 柔性铰链设计时基本参数应满足如下要求：[现代精密机械设计] 1、柔性铰链内部应力要小于材料的许用应力。在微位移范围内，此条件一般都能满足。 2、微位移器产生的最大位移输出时，微动台的弹性恢复力应小于微位移器的最大驱动力。 3、微动台的刚性应尽可能大，使其具有良好的动态特性和抗干扰能力。 2.2.2.1 几种常见柔性铰链的设计计算 对于单轴柔性铰链，设计要求为对输入或灵敏轴必须灵活，一般绕横轴和沿纵轴铰链的刚度应尽可能的好[现代精密机械设计]。也就是说单轴柔性铰链绕Z轴方向的转角刚度要尽可能的小、绕X轴方向的转角刚度和沿Y轴方向的轴向刚度要尽可能的大，坐标轴方向如图2-2中所示。在单轴柔性铰链设计中，最关键的是绕Z轴方向的转角刚度的设计计算，下面将对几种常见类型的铰链作分析研究。
基于柔性铰链机构和压电陶瓷驱动器的纳米定位与扫描平台测量方法
I C S01.040.39 N10 中华人民共和国国家标准 G B/T38614 2020 基于柔性铰链机构和压电陶瓷驱动器的纳米定位与扫描平台测量方法 M e a s u r e m e n tm e t h o d f o r n a n o p o s i t i o n i n g a n d s c a n n i n g s t a g e b a s e do n f l e x u r e h i n g em e c h a n i s ma n d p i e z o a c t u a t o r 2020-04-28发布2020-11-01实施 国家市场监督管理总局
目 次 前言Ⅲ 1 范围1 2 规范性引用文件1 3 术语和定义1 4 测量条件1 5 测量仪器1 6 测量方法1 6.1 轴向行程1 6.2 准确度2 6.3 单向重复定位精度2 6.4 双向重复定位精度3 6.5 迟滞误差4 6.6 线性度5 6. 7 位移分辨力6 6. 8 角摆偏差6 6. 9 直线度8 6.10 平面度9 6.11 正交误差10
前言 本标准按照G B/T1.1 2009给出的规则起草三 本标准由全国电子测量仪器标准化技术委员会(S A C/T C153)提出并归口三 本标准起草单位:沈阳建筑大学二三英精控(天津)仪器设备有限公司二广东工业大学二中国计量科学研究院二苏州昊通仪器科技有限公司二沈阳理工大学三 本标准主要起草人:须颖二戴敬二邵萌二安冬二施玉书二贾静二戴超二文杰二石怀涛三
基于柔性铰链机构和压电陶瓷驱动器的 纳米定位与扫描平台测量方法 1范围 本标准规定了基于柔性铰链机构和压电陶瓷驱动器的纳米定位与扫描平台(以下简称为平台)的测量条件二测量系统和测量方法三 本标准适用于平台的研究二设计二生产二检测及使用三 2规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的三凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件三凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件三 G B/T11336─2004直线度误差检测 G B/T38616 2020纳米定位与扫描平台术语 3术语和定义 G B/T38616 2020界定的术语和定义适用于本文件三 4测量条件 平台的测量应满足如下条件: a)测量场地应无影响测量精度的灰尘二振动二气流扰动和较强磁场; b)测量时的环境温度为(20?1)?,其变化应不大于0.5?/h; c)测量时的环境相对湿度为(50?5)%; d)测量前应确认平台无影响测量正确性实施和测量结果的外观缺陷; e)测量时平台处于正常工作状态三 5测量仪器 本标准中推荐使用激光干涉仪(以下简称干涉仪),角摆偏差也可使用自准直仪,测量仪器精度应满足测量要求三 6测量方法 6.1轴向行程 6.1.1测量步骤 将干涉仪严格对准平台,按照以下步骤进行轴向行程测量:
3自由度混合柔性铰链微定位平台的设计与分析
２０１８年４月 第４６卷第７期机床与液压MACHINE TOOL ＆HYDRAULICS Apr ．２０１８Vol ．４６No ．７ＤＯＩ：１０．３９６９／j ．issn ．１００１-３８８１．２０１８．０７．０２３ 收稿日期：２０１６-１２-２２ 基金项目：广东省自然科学基金资助项目（２０１４A ０３０３１３６１６）；广东省科技计划项目（２０１５B ０１０１０１０１５）；佛山市科技创新 专项资金项目（２０１５AG １００１８）；佛山科学技术学院研究生自由探索基金资助项目（２０１６LGZ ０２）作者简介：黄兴山（１９９１—），男，硕士研究生，主要研究方向为精密装备。E -mail ：１００５８９２４８４＠qq ．com 。３自由度混合柔性铰链微定位平台的设计与分析 黄兴山，卢清华，何琼 （佛山科学技术学院机电工程学院，广东佛山５２８０００） 摘要：为了提高３自由度并联微定位平台的性能，研究了一种新型的混合柔性铰链微定位平台，它由正圆柔性铰链和直角柔性铰链组成。根据正圆柔性铰链和直角柔性铰链的不同特性，设计出了新型的混合柔性铰链微定位平台。先建立传统的３-RRR 柔性铰链微定位平台和新型的混合柔性铰链微定位平台模型。再通过有限元分析软件，比较了新型混合柔性铰链微定位平台和传统的３-RRR 柔性铰链微定位平台的柔度和灵敏性。结果表明，混合型柔性铰链微定位平台较传统的３-RRR 柔性铰链微定位平台有更好的性能。 关键词：微定位平台；混合；柔性铰链；有限元分析 中图分类号：TH １２２ 文献标志码：A 文章编号：１００１-３８８１（２０１８）０７-１０２-３ ＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆ３-ＤＯＦＨｙｂｒｉｄＦｌｅｘｕｒｅＨｉｎｇｅＭｉｃｒｏＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｔａｇｅ HUANG Xingshan ，LU Qinghua ，HE Qiong （School of Mechatronics Engineering ，Foshan University ，Foshan Guangdong ５２８０００，China ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：In order to improve the performance of Three Degree of Freedom （３-DOF ）parallel micro positioning stage ，a new type hybrid flexure hinge micro positioning stage is studied ．It was composed of circular flexure hinge and right angle flexible hinge ．Ac -cording to the different characteristics of circular flexure hinge and right angle flexible hinge ，a new type hybrid flexure hinge micro po -sitioning stage was designed ．Firstly the model of the traditional ３-RRR flexible hinge micro positioning stage and new hybrid flexure hinge micro positioning stage was established ．Then through the Finite Element Analysis （FEA ）software ，the flexibility and agility of the new hybrid flexure hinge micro positioning stage and the traditional ３-RRR flexure hinge micro positioning stage were compared ．The results show that the hybrid flexure hinge micro positioning stage has a better performance than the traditional ３-RRR flexure hinge micro positioning stage ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Micro positioning stage ；Hybrid ；Flexible hinge ；Finite element analysis ０ 前言 随着微纳技术的发展，对微定位工作平台的性能 要求也就越来越高。微定位平台除了要求具有良好的 定位精度和较大的运动行程外，还应该具备优良的稳 定性和灵敏度。柔顺机构体积小、无间隙、无机械摩 擦，具有较高的灵敏度，因此被广泛运用于高精密仪 器中。 目前，国内外学者对微定位平台进行了深入的研 究［１-３］。刚度（柔度）问题是设计和评价微定位平台 的一项重要指标，对刚度的研究具有重要的意 义［４-７］。通过对不同类型的柔性铰链进行研究，能够 有效地提高微定位平台的性能和工作效率［８-１０］。 传统的３-RRR 柔性铰链微定位平台的性能具有 一定的局限性。基于传统的３-RRR 柔性铰链微定位 平台，通过利用正圆柔性铰链和直角柔性铰链各自的 优点，建立了一种新型的混合柔性铰链微定位平台。 １ 混合柔性铰链微定位平台的设计 传统的３-RRR 柔性铰链微定位平台如图１所示［１］，它具有３个关于动平台中心对称的RRR 运动支链，正圆形的关节为柔性铰链，都是由正圆铰链构成。该动平台可以实现X 和Y 方向平动以及绕Z 轴转动。平台的驱动装置为压电陶瓷， 作用于驱动位置。图１ 传统的３-RRR 柔性微定位平台由于传统的３-RRR 柔性铰链微定位平台只是运用单一的正圆铰链，所以其性能具有一定的局限性。各种铰链的柔度有较大的差别，直角柔性铰链比正圆万方数据
圆弧形柔性铰链式二维并联压电微动平台的设计[设计+开题+综述]
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 2.1 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； 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； 2.2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、
带柔性铰链的Stewart平台特征值的求解
振 动与冲击 第!"卷第#期 $%&’()*%+,-.’)/-%()(012%34 ,567!"(57#!88! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!9 带柔性铰链的1:;<=>:平台特征值的求解" 王宝峰 李琳 （北京航空航天大学动力系，北京 #888?"） 摘 要 1:;<=>:六自由度平台在许多方面均有重要的应用， 它的连接部件一般为球铰或万向铰，不可避免会产生间隙，这在微小位移的应用中是不允许的。因此，本文采用了无间隙的柔性铰链作为1:;<=>:六自由度平台的连接部件，并推导了带柔性铰链的弹性支杆构成的1:;<=>:平台的动力学方程并编程序求解了特征值问题，经)(1@1软件和实验验证，计算结果正确，表明理论能描述此平台的特性。 关键词：1:;<=>:平台，六自由度，柔性铰链，特征值中图分类号：/2##"7#；/2#"#7A 8引言 六自由度1:;<=>:平台［#］ 由上下两个平板和几个连接它们的支杆组成，支杆与平板一般用球铰或万向 铰连接。它的上平板可作空间六自由度的运动，如图#所示。这种平台刚度大， 精度高，稳定性好。#ABC 年，1:;<=>:将这种并行机构应用于飞行模拟器，从而得名。 很多学者将1:;<=>:平台应用于振动控制中，但在 微幅振动控制中，球铰或万向铰不可避免会产生间隙，这个间隙很可能会使控制不起作用。为了解决这个问题，需引入其它形式的无间隙的铰链。柔性铰 链［!］就是一个合适的选择。柔性铰链是利用局部环 节的变形起到铰链作用的构件，有单轴和双轴两种，如图!、"所示。 图#1:;<=>:平台图!单轴柔性铰链图"双轴柔性铰链 图9 两端带柔性铰链的支杆 为了得到带柔性铰链的1:;<=>:平台的动力学模 型，首先需要解决柔性铰链的力学模型，文献［!］中给出了一种描述，但并不完全适用于此。同时，支杆作为一个单向受力变形的构件，与一个多自由度方向变形 的柔性铰链连接的处理也需解决。 本文即是为解决在用磁置伸缩作动器对1:;<=>: 平台进行主动振动控制采用柔性铰链后平台系统的建模问题所做的研究。针对微幅振动控制的应用背景，本文中的1:;<=>:平台的运动是由磁置伸缩作动器做成的弹性支杆的变形引起的，整个平台系统是一个静定系统。在这种情况下，1:;<=>:平台上平板的空间六自由度运动是绕系统静力平衡位置所做的微幅振动。文中给出了柔性铰链和支杆连接的两种力学模型，得 到了平台系统的动力学方程，计算了特征值问题，并用有限元软件进行了验证，得到了比较满意的结果。 #两端带柔性铰链的支杆的刚度矩阵 支杆由磁置伸缩材料做成的作动器和其两端的柔 性铰链构成，如图9所示。从上到下依次为柔性铰链 "收稿日期： !88!D #8D 8A 修改稿收到日期：!88!D ##D #C 第一作者王宝峰 男，硕士生，#AEE 年生 万方数据