圓弧形柔性鉸鏈?zhǔn)蕉S并聯(lián)壓電微動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)【開(kāi)題報(bào)告+文獻(xiàn)綜述+畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文開(kāi)題報(bào)告</b></p><p>　　機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化</p><p>　　圓弧形柔性鉸鏈?zhǔn)蕉S并聯(lián)壓電微動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)</p><p>　　一、選題的背景與意義</p><p>　　隨著科技的發(fā)展, 各類精密、超精密儀器儀表, 如圖形發(fā)生器、分步重復(fù)照相機(jī)、光刻機(jī)、電子束和X射

2、線及其檢測(cè)設(shè)備等被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)研究和現(xiàn)實(shí)生活中。與此同時(shí), 相配套的各類精密、超精密微動(dòng)平臺(tái)也應(yīng)運(yùn)而生。</p><p>　　在電子、光學(xué)、機(jī)械等精密產(chǎn)品制造業(yè)中, 經(jīng)常需要精度高、配置靈活、維護(hù)方便的定位平臺(tái)。現(xiàn)代社會(huì)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的精度和表面質(zhì)量的要求不斷提高，而高精度微位移裝置是超精密機(jī)床的關(guān)鍵裝置, 如要實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給、超薄切削、加工誤差的在線補(bǔ)償, 以及加工非軸對(duì)稱特殊型面等功能, 都離不開(kāi)微位移技術(shù)。隨

3、著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展, 在宇航和航空領(lǐng)域也采用微位移工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)高精度等要求。</p><p>　　二、研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問(wèn)題</p><p>　　2.1 研究的基本內(nèi)容</p><p>　　基于微動(dòng)平臺(tái)應(yīng)同時(shí)具有良好的位移輸出特性和剛度特性的要求，并考慮材料的加工工藝性，確定微動(dòng)平臺(tái)的材料；</p><p>　　基于圓弧形柔性鉸鏈

4、結(jié)構(gòu)，確定二維串聯(lián)微動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式；</p><p>　　確定圓弧形柔性鉸鏈與微動(dòng)平臺(tái)的幾何尺寸；</p><p>　　基于所確定的圓弧形柔性鉸鏈與微動(dòng)平臺(tái)的幾何尺寸以及所給定的微動(dòng)平臺(tái)的位移行程，計(jì)算圓弧形柔性鉸鏈的最大應(yīng)力，校核微動(dòng)平臺(tái)的強(qiáng)度；計(jì)算微動(dòng)平臺(tái)的彈性恢復(fù)力、剛度；</p><p>　　基于所給定的微動(dòng)平臺(tái)的位移行程以及由計(jì)算所得的微動(dòng)平臺(tái)的彈性恢復(fù)

5、力與剛度，確定壓電陶瓷執(zhí)行器的參數(shù)：最大輸出位移、最大驅(qū)動(dòng)力、剛度；</p><p>　　分別基于Pro/E、AutoCAD繪制微動(dòng)平臺(tái)的三維造型圖、裝配圖與零件圖；</p><p>　　2.2 擬解決的主要問(wèn)題</p><p>　　對(duì)圓弧形柔性鉸鏈?zhǔn)蕉S并聯(lián)壓電微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并確定其材料、幾何尺寸，校核和確定各種參數(shù)。</p><p&g

6、t;　　三、研究的方法與技術(shù)路線</p><p>　　采用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算平臺(tái)的彈性恢復(fù)力、剛度和柔性鉸鏈的形式和結(jié)構(gòu)尺寸</p><p>　　四、研究的總體安排與進(jìn)度</p><p>　　第1~4周：查閱文獻(xiàn)，了解微動(dòng)平臺(tái)的原理及其應(yīng)用；</p><p>　　第5~6周：確定壓電微動(dòng)平臺(tái)的材料、結(jié)構(gòu)形式以及幾何尺寸；</p>&

7、lt;p>　　第7~11周：基于圓弧形柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，對(duì)微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，即對(duì)其進(jìn)行 強(qiáng)度校核，計(jì)算其彈性恢復(fù)力與剛度，確定壓電陶瓷執(zhí)行器參數(shù)；</p><p>　　第12周：繪制微動(dòng)平臺(tái)的三維造型圖、裝配圖與零件圖;</p><p>　　第13周：撰寫畢業(yè)論文 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>&l

8、t;p>　　陳時(shí)錦, 楊元華, 孫西芝, 程凱. 基于柔性鉸鏈的微位移工作臺(tái)性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2004, 21(7): 46-49</p><p>　　關(guān)耀奇, 陳蓉玲. 柔性鉸鏈在精密和超精密加工中的應(yīng)用與研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2003, 20(3): 46-47</p><p>　　黃金永, 魏燕定, 張煒. 空間微動(dòng)平臺(tái)的柔性鉸鏈參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].

9、機(jī)電工程, 2006, 23(1): 55-57</p><p>　　紀(jì)海慧, 錢進(jìn). 基于柔性鉸鏈的精密定位平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)床與液壓, 2007, 35(11): 62-64</p><p>　　張建雄, 孫寶元. 基于柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)的二維微動(dòng)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)分析[J]. 壓電與聲光, 2006, 28(5): 624-626</p><p>　　田延嶺, 張

10、大衛(wèi), 閆兵. 二自由度微定位平臺(tái)的研制[J]. 光學(xué)精密工程, 2006, 14(1): 94-99</p><p>　　劉品寬, 孫立寧, 曲東升, 榮偉彬. 新型二維納米級(jí)微動(dòng)工作臺(tái)的動(dòng)力學(xué)分析[J]. 光學(xué)精密工程, 2002, 10(2): 143-147</p><p>　　高鵬, 袁哲俊, 姚英學(xué). 基于柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)的新型雙向微動(dòng)工作臺(tái)的研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 199

11、8, 19(2): 192-193 </p><p>　　Kee-Bong Choi, Jae Jong Lee, Seiichi Hata. A piezo-driven compliant stage with double mechanical amplification mechanisms arranged in parallel[J]. Physical, 2010, 161(2):173-183&

12、lt;/p><p>　　Chi-Ying Lin, Po-Ying Chen. Precision tracking control of a biaxial piezo stage using repetitive control and double-feedforward compensation[J]. Mechatronics, 2010, 59(5)：24-32</p><

13、p>　　Hua Wang, Xianmin Zhang. Input coupling analysis and optimal design of a 3-DOF compliant micro-positioning stage[J]. Mechanism and Machine Theory, 2008, 97(9):400-410</p><p>　　S.B. Choi, S.S. H

14、an, Y.M. Han, B.S. Thompson. A magnification device for precision mechanisms featuring piezoactuators and flexure hinges: Design and experimental validation[J], Mechanism and Machine Theory, 2007 59(11):1184-1198</p&g

15、t;<p><b>　　畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述</b></p><p>　　機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化</p><p>　　圓弧形柔性鉸鏈?zhǔn)蕉S并聯(lián)壓電微動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1、前言 </b></p><p>　　以柔性鉸鏈為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的超高精度微動(dòng)工作臺(tái)已被廣泛用于能束加工

16、、超精密檢測(cè)、微操作系統(tǒng)等要求具有納米級(jí)定位分辨率的技術(shù)領(lǐng)域中。隨著納米技術(shù)研究的深入發(fā)展, 高分辨率、寬行程、高頻響的微動(dòng)工作臺(tái)越來(lái)越成為研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。隨著科技的發(fā)展, 各類精密、超精密儀器儀表, 如圖形發(fā)生器、分步重復(fù)照相機(jī)、光刻機(jī)、電子束和X射線及其檢測(cè)設(shè)備等被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)研究和現(xiàn)實(shí)生活中[3~5]。與此同時(shí), 相配套的各類精密、超精密微動(dòng)平臺(tái)也應(yīng)運(yùn)而生。微動(dòng)系統(tǒng)一般由微動(dòng)平臺(tái)、檢測(cè)裝置、控制系統(tǒng)3 部分組成。<

17、/p><p><b>　　2、微動(dòng)平臺(tái)簡(jiǎn)介</b></p><p>　　微動(dòng)平臺(tái) ，或稱為微位移機(jī)構(gòu)，是指行程小(一般小于mm 級(jí))、靈敏度和精度高的機(jī)構(gòu), 它是微動(dòng)系統(tǒng)的核心。微動(dòng)工作臺(tái)主要由微位移驅(qū)動(dòng)器、導(dǎo)軌和輸出平臺(tái)等組成。微位移驅(qū)動(dòng)器直接把輸入電壓/電流轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的輸出位移, 而導(dǎo)軌則把此位移量傳遞到工作臺(tái)。</p><p><b&g

18、t;　　3、壓電陶瓷簡(jiǎn)介</b></p><p>　　由于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器具有高剛度、高分辨率、無(wú)摩擦和磨損以及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn), 因而在納米級(jí)的微定位裝置中得到廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)采用壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器, 它是一種固體器件, 易與電源、位移傳感器、微機(jī)等實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制, 無(wú)需傳動(dòng)機(jī)構(gòu), 具有位移精度高, 響應(yīng)速度快, 功耗低等特點(diǎn), 被廣泛應(yīng)用于微動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)中。</p><p>　

19、　壓電效應(yīng)的概念最先來(lái)源于壓電晶體,當(dāng)此類電介質(zhì)晶體外加機(jī)械載荷時(shí),晶體內(nèi)部的正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生極化,導(dǎo)致晶體兩端出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷。反之，如將具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)晶體置于電場(chǎng)中,由于電場(chǎng)的作用而引起電介質(zhì)晶體內(nèi)部正負(fù)電荷中心產(chǎn)生相對(duì)位移,致使壓電晶體發(fā)生形變,晶體的這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。</p><p>　　在工程技術(shù)中應(yīng)用較普遍的是由壓電陶瓷材料制作而成的壓電元件。通常選用壓電常數(shù)較大的層疊

20、式壓電元件獲取微變形,它的線性比較優(yōu)良,且具有體積小、剛度大、形變相對(duì)較大、位移分辨率高和響應(yīng)迅速的特點(diǎn)。</p><p><b>　　4、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　柔性鉸鏈?zhǔn)且环N彈性元件, 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、無(wú)摩擦、無(wú)噪聲、不需要潤(rùn)滑等特點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上, 把它作為導(dǎo)向、定位和傳動(dòng)等元件。筆者設(shè)計(jì)的柔性鉸鏈擴(kuò)展、配置靈活, 通過(guò)對(duì)一維柔性鉸鏈的

21、簡(jiǎn)單幾何疊加, 可以方便組成二維或多維柔性鉸鏈。柔性鉸鏈分為單軸柔性鉸鏈和雙軸柔性鉸鏈兩大類。在微位移機(jī)構(gòu)中廣泛用于制作微動(dòng)工作臺(tái)的柔性導(dǎo)軌、支承等。用柔性鉸鏈制作的微位移機(jī)構(gòu),具有很高的位移分辯1 nm、定位精度±0. 05μm和重復(fù)精度,工作穩(wěn)定、無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)間隙、無(wú)爬行和體積小等特點(diǎn);柔性鉸鏈支承微動(dòng)機(jī)構(gòu)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型的微位移機(jī)構(gòu),是一種很有應(yīng)用前景的微位移器件。系統(tǒng)采用柔性鉸鏈為導(dǎo)軌形式, 傳遞微位移驅(qū)動(dòng)

22、器輸出的位移, 它具有體積小、無(wú)機(jī)械摩擦、導(dǎo)向精度高、加工精度易于保證、不需要裝配等特點(diǎn)。</p><p>　　陳時(shí)錦, 楊元華, 孫西芝, 程凱[1] 研究了針對(duì)于一種常用的以雙柔性平行四連桿機(jī)構(gòu)作導(dǎo)向的二維微位移工作臺(tái), 分析并推導(dǎo)出了工作臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)各性能的影響公式, 并用有限元分析的方法驗(yàn)證了這些公式的正確性。之后建立了約束優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型, 以具體實(shí)例介紹了用有限元分析的方法進(jìn)行優(yōu)化求解, 得出最優(yōu)設(shè)

23、計(jì)參數(shù)的過(guò)程。</p><p>　　黃金永, 魏燕定, 張煒[3] 研究了空間微動(dòng)平臺(tái)的柔性鉸鏈參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)合空間微動(dòng)平臺(tái)的特點(diǎn): 輕量化、小尺寸、盡可能高的一階共振頻率, 以及滿足平臺(tái)工作行程、驅(qū)動(dòng)器推力大小、和材料許用應(yīng)力等要求, 通過(guò)對(duì)柔性鉸鏈公式的詳細(xì)分析, 給出了這類微動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)流程和實(shí)例演示, 同時(shí)也有助于我們理解柔性鉸鏈各參數(shù)間的作用和相互關(guān)系。</p><p>　　張

24、建雄, 孫寶元[5] 研究了基于柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)的二維微動(dòng)工作臺(tái)，介紹了基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器( PZT) 驅(qū)動(dòng)的二維微動(dòng)工作臺(tái)。該微動(dòng)臺(tái)采用雙柔性平行四連桿結(jié)構(gòu),運(yùn)用參數(shù)化的分析方法求得鉸鏈各尺寸對(duì)微動(dòng)臺(tái)固有頻率、應(yīng)力以及剛度的影響, 將理論分析、有限元計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果相結(jié)合, 提出了一種微動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　田延嶺，張大衛(wèi)，閆兵[6] 研究了二自由度微定位平臺(tái)，研制了一臺(tái)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)和彈性鉸鏈導(dǎo)

25、向的一體化微定位平臺(tái), 該微定位平臺(tái)具有高剛度、高響應(yīng)速度和高分辨率等優(yōu)點(diǎn)。為了克服壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器伸長(zhǎng)量較小的不足, 采用杠桿放大機(jī)構(gòu)增加微定位平臺(tái)的位移輸出?？紤]驅(qū)動(dòng)電路的影響, 建立了微定位平臺(tái)的機(jī)電耦合模型。通過(guò)試驗(yàn)研究了微定位平臺(tái)的靜動(dòng)態(tài)特性, 試驗(yàn)結(jié)果表明微定位平臺(tái)的分辨率為5 nm, 固有頻率分別為143 H z 和180 H z。該微定位平臺(tái)可應(yīng)用于納米級(jí)的微定位。</p><p>　　高鵬，袁哲俊

26、，姚英學(xué)[8] 研究了基于柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)的新型雙向微動(dòng)工作臺(tái)。圖1為所研制工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖, 各連接處都為柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)。該工作臺(tái)內(nèi)外層都是四支點(diǎn)支承的對(duì)稱結(jié)構(gòu), 內(nèi)層(x向) 工作臺(tái)剛性嵌套在外層(y向) 工作臺(tái)內(nèi), 分別采用二個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng), 實(shí)現(xiàn)二維運(yùn)動(dòng)。該工作臺(tái)有兩級(jí)放大機(jī)構(gòu)。由于采用二級(jí)杠桿放大結(jié)構(gòu), 所以該雙向微動(dòng)工作臺(tái)滿足各類寬范圍掃描高精度定位場(chǎng)合的要求。</p><p>　　圖1　工作臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

27、</p><p>　　微位移技術(shù)是精密機(jī)械和儀器實(shí)現(xiàn)高精度的關(guān)鍵技術(shù)之一。微位移技術(shù)由微位移機(jī)構(gòu)、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)三部分組成,它的行程小、靈敏度和精度高,主要用于提高運(yùn)動(dòng)的靈敏度和精度。近年來(lái)得到迅速發(fā)展, 成為現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的基礎(chǔ)。目前,主要應(yīng)用在精度補(bǔ)償、微進(jìn)給及精密調(diào)整三方面。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>

28、;　　陳時(shí)錦, 楊元華, 孫西芝, 程凱. 基于柔性鉸鏈的微位移工作臺(tái)性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2004, 21(7): 46-49</p><p>　　關(guān)耀奇, 陳蓉玲. 柔性鉸鏈在精密和超精密加工中的應(yīng)用與研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2003, 20(3): 46-47</p><p>　　黃金永, 魏燕定, 張煒. 空間微動(dòng)平臺(tái)的柔性鉸鏈參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電工程,

29、2006, 23(1): 55-57</p><p>　　紀(jì)?；? 錢進(jìn). 基于柔性鉸鏈的精密定位平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)床與液壓, 2007, 35(11): 62-64</p><p>　　張建雄, 孫寶元. 基于柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)的二維微動(dòng)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)分析[J]. 壓電與聲光, 2006, 28(5): 624-626</p><p>　　田延嶺, 張大衛(wèi), 閆兵

30、. 二自由度微定位平臺(tái)的研制[J]. 光學(xué)精密工程, 2006, 14(1): 94-99</p><p>　　劉品寬, 孫立寧, 曲東升, 榮偉彬. 新型二維納米級(jí)微動(dòng)工作臺(tái)的動(dòng)力學(xué)分析[J]. 光學(xué)精密工程, 2002, 10(2): 143-147</p><p>　　高鵬, 袁哲俊, 姚英學(xué). 基于柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)的新型雙向微動(dòng)工作臺(tái)的研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 1998, 19(

31、2): 192-193 </p><p>　　Kee-Bong Choi, Jae Jong Lee, Seiichi Hata. A piezo-driven compliant stage with double mechanical amplification mechanisms arranged in parallel[J]. Physical, 2010:173-183</p><

32、;p>　　Chi-Ying Lin, Po-Ying Chen. Precision tracking control of a biaxial piezo stage using repetitive control and double-feedforward compensation[J]. Mechatronics, 2010：24-32</p><p>　　Hua Wang, Xianmin Zh

33、ang. Input coupling analysis and optimal design of a 3-DOF compliant micro-positioning stage[J]. Mechanism and Machine Theory, 2008:400-410</p><p>　　S.B. Choi, S.S. Han, Y.M. Han, B.S. Thompson. A magnifica

34、tion device for precision mechanisms featuring piezoactuators and flexure hinges: Design and experimental validation[J], Mechanism and Machine Theory, 2007:1184-1198</p><p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p&

35、gt;<p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　圓弧形柔性鉸鏈?zhǔn)蕉S并聯(lián)壓電微動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘　要</b></p><p>　　摘要：微動(dòng)平臺(tái)，或稱為微位移機(jī)構(gòu)，是指行程小、靈敏度和精度高的機(jī)構(gòu), 它是微動(dòng)系統(tǒng)的核心。本文設(shè)計(jì)了一種圓弧形柔性鉸鏈?zhǔn)降亩S微動(dòng)工

36、作臺(tái)。平臺(tái)由壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的、在X和Y方向上的行程各為40微米。該微動(dòng)平臺(tái)采用柔性鉸鏈支撐的并聯(lián)式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，與串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式相比，該結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單緊湊，具有更寬的有效工作平面，其x方向和y方向完全對(duì)稱，所以這兩個(gè)方向的參數(shù)完全相同，便于參數(shù)識(shí)別與工作臺(tái)的控制；該平臺(tái)以雙平行四桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，由6個(gè)柔性鉸鏈臂和12個(gè)柔性鉸鏈組成，與單平行的四桿機(jī)構(gòu)相比，由于該結(jié)構(gòu)的連桿沿桿長(zhǎng)方向伸長(zhǎng)而不產(chǎn)生寄生運(yùn)動(dòng)，x和y方向也不會(huì)相互耦合。設(shè)計(jì)中確定了圓弧

37、形柔性鉸鏈與微動(dòng)平臺(tái)的幾何尺寸，根據(jù)所確定的圓弧形柔性鉸鏈與微動(dòng)平臺(tái)的幾何尺寸以及所給定的微動(dòng)平臺(tái)的位移行程，計(jì)算出圓弧形柔性鉸鏈的最大應(yīng)力，并校核微動(dòng)平臺(tái)的強(qiáng)度；計(jì)算了微動(dòng)平臺(tái)的彈性恢復(fù)力、剛度，根據(jù)微動(dòng)平臺(tái)的彈性恢復(fù)力與剛度，確定壓電陶瓷執(zhí)行器的參數(shù)：最大輸出位移、最大驅(qū)動(dòng)力、剛度。最后基于Pro/E、AutoCAD繪制了微動(dòng)平臺(tái)的三維造型圖、裝配圖與零件圖。</p><p>　　關(guān)鍵詞：微動(dòng)工作臺(tái)；并聯(lián)結(jié)構(gòu)

38、；柔性鉸鏈；壓電驅(qū)動(dòng)器</p><p>　　Abstrac: Micro positional stage, is a small stroke, high precision, and organization structure, it is the core of the Micro System. Designed a flexible arc-shaped two-dimensional micro-h

39、inged stage. The platform driven by piezoelectric ceramic actuators, and the displacement is 40 microns in both X and Y direction. The micro-platform is designed of parallel structure that supported by flexible hinge, wh

40、ich is more simpler and compacter structure than the series, and have a series of wider than t</p><p>　　Key words: micro stage; parallel structure; flexible hinge; piezoelectric actuator</p><p>

41、<b>　　.</b></p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　摘　要8</b></p><p><b>　　目　錄10</b></p><p><b>　　1 緒論11</b></p>

42、;<p>　　1.1 微動(dòng)平臺(tái)的研究意義11</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀12</p><p>　　1.3 本設(shè)計(jì)的任務(wù)14</p><p>　　2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)的初設(shè)計(jì)14</p><p>　　2.1 運(yùn)動(dòng)原理圖14</p><p>　　2.2 微動(dòng)平臺(tái)的鉸鏈形式15</p&

43、gt;<p>　　2.3 驅(qū)動(dòng)器的選擇15</p><p>　　2.4 微動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的初設(shè)計(jì)16</p><p><b>　　3 設(shè)計(jì)計(jì)算17</b></p><p>　　3.1 平臺(tái)材料的選擇17</p><p>　　3.2 幾何尺寸的初步確定17</p><p>　　3

44、.2.1 平臺(tái)的幾何尺寸初步確定17</p><p>　　3.2.2 鉸鏈的幾何尺寸初步確定17</p><p>　　3.3 鉸鏈的應(yīng)力計(jì)算與強(qiáng)度校核17</p><p>　　3.3.1 設(shè)計(jì)滿足性能17</p><p>　　3.3.2 鉸鏈的強(qiáng)度校核17</p><p>　　3.3.3 鉸鏈的靜剛度計(jì)算錯(cuò)

45、誤!未定義書簽。</p><p>　　3.4 平臺(tái)的彈性恢復(fù)力計(jì)算20</p><p>　　3.5 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的選取21</p><p>　　4 微動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.1 平臺(tái)載物面的設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.2 壓電塊的預(yù)緊22</p><p&g

46、t;　　4.3 電極線的引出23</p><p>　　4.4 平臺(tái)的封閉23</p><p>　　5 結(jié)論與展望25</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)26</b></p><p><b>　　附錄27</b></p><p><b>　　緒論</

47、b></p><p><b>　　微動(dòng)平臺(tái)的研究意義</b></p><p>　　微動(dòng)平臺(tái)主要由微位移驅(qū)動(dòng)器、導(dǎo)軌和輸出平臺(tái)等組成，是微動(dòng)系統(tǒng)的核心。微動(dòng)平臺(tái)具有行程小、精度和靈敏度高的特點(diǎn)。微位移驅(qū)動(dòng)器把相應(yīng)的電能轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的位移量, 通過(guò)導(dǎo)軌把位移量傳遞到工作臺(tái)，若使用柔性鉸鏈，則通過(guò)柔性鉸鏈把相應(yīng)的位移量傳遞到工作臺(tái)。</p><p&g

48、t;　　微位移技術(shù)是精密設(shè)備中的主要技術(shù)之一，隨著各行業(yè)的精度要求不斷的提升，比如宇航、電子等行業(yè)，微位移技術(shù)也不斷的發(fā)展起來(lái)了。例如用金剛石車刀直接車削大型天文望遠(yuǎn)鏡的拋物面反射鏡時(shí)，要求加工出幾何精度高于1/10光波波長(zhǎng)的表面，即幾何形狀誤差小于0.05μｍ。計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中大容量磁鼓和磁盤的制造，為保證磁頭與磁盤在工作過(guò)程中維持１μｍ內(nèi)的浮動(dòng)氣隙，就必須嚴(yán)格控制磁盤或磁鼓在高速回轉(zhuǎn)下的跳動(dòng)。特別是到20世紀(jì)70年代后期，微電子技術(shù)

49、向大規(guī)模集成電路（LSI）和超大規(guī)模集成電路（VLSI）方向發(fā)展，隨著集成度的提高，線條越來(lái)越微細(xì)化。256Ｋ動(dòng)態(tài)RAM線寬已縮小到1.25μｍ左右，目前已小于0.1μｍ，對(duì)與之相應(yīng)的工藝設(shè)備（如圖形發(fā)生器、分步重復(fù)照相機(jī)、光刻機(jī)、電子束和Ｘ射線曝光機(jī)及其檢測(cè)設(shè)備等）提出了更高的要求，要求這些設(shè)備的定位精度為線寬的1/3～1/5，即亞微米甚至納米級(jí)的精度。</p><p>　　微位移技術(shù)在精密設(shè)備中主要用于提高精

50、度，隨著宇航、電子等行業(yè)的精度要求不斷的提升，對(duì)精度的要求也是越來(lái)越高，微位移技術(shù)應(yīng)用也是更加的廣泛，大致可分為四個(gè)方面：</p><p>　　1)．粗精工作臺(tái)精度補(bǔ)償</p><p>　　高精度精密儀器的核心是精密工作臺(tái)，工作臺(tái)的精度是否達(dá)到要求直接影響精密儀器的精度，當(dāng)前工作臺(tái)主要朝著高精度和高速度的發(fā)展方向，現(xiàn)在精工作臺(tái)的速度，一般在20mm/s～100mm/s，但對(duì)于精度的要求在0

51、.1 μm以下，由于慣性的作用，一般高速度往往會(huì)使平臺(tái)的精度降低，為解決這個(gè)問(wèn)題，通常采用一個(gè)粗精度工作臺(tái)和一個(gè)高精度工作臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1-1(a)所示，粗精度工作臺(tái)來(lái)完成高速度大行程的工作，而高精度工作臺(tái)來(lái)對(duì)粗精度工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)中帶來(lái)的誤差進(jìn)行精度補(bǔ)償，以此來(lái)達(dá)到預(yù)定的精度。</p><p>　　2)．精密機(jī)械加工中的微進(jìn)給機(jī)構(gòu)以及精密儀器中的對(duì)準(zhǔn)微動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由微進(jìn)給實(shí)現(xiàn)，如圖1-1(b)所示金剛石車刀車削鏡面磁盤

52、，車刀的進(jìn)給量為5μｍ，就是利用微位移機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　3)．微調(diào)精密儀器中的微調(diào)是經(jīng)常遇到的問(wèn)題，如圖1-1(c)所示，左圖表示磁頭與磁盤之間的浮動(dòng)間隙的調(diào)整，右圖為照相物鏡與被照乾版之間焦距的調(diào)整。</p><p>　　4)．微執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要用于生物工程、醫(yī)療、微型機(jī)電系統(tǒng)、微型機(jī)器人等，用于夾持微小物體。如圖1-1(d)所示，微型器件裝配系統(tǒng)的微夾持器。</p&g

53、t;<p>　　圖1-1 微位移技術(shù)應(yīng)用</p><p>　　補(bǔ)償；(b)微進(jìn)給；(c)微調(diào)；(d)微執(zhí)行機(jī)構(gòu)</p><p>　　精密機(jī)械設(shè)備和儀器實(shí)現(xiàn)高精度的關(guān)鍵技術(shù)之一是微位移技術(shù)。微位移技術(shù)的組成由微位移機(jī)構(gòu)、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)三部分，它的行程比較小，其靈敏度和精度比較高,用于提高運(yùn)動(dòng)時(shí)的精度和靈敏度。微位移技術(shù)在近幾年發(fā)展很快，已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的主要技術(shù)之一。

54、在精度補(bǔ)償?shù)确矫娑嫉玫搅藦V泛的應(yīng)用。</p><p><b>　　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　基于柔性鉸鏈微動(dòng)平臺(tái)在設(shè)計(jì)中被廣泛運(yùn)用。柔性鉸鏈?zhǔn)且环N彈性元件， 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、無(wú)摩擦、無(wú)噪聲、不需要潤(rùn)滑等特點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上， 把它作為導(dǎo)向、定位和傳動(dòng)等元件。柔性鉸鏈擴(kuò)展、配置靈活, 通過(guò)對(duì)一維柔性鉸鏈的簡(jiǎn)單幾何疊加， 可以方便組成二維或多維柔性鉸

55、鏈。微動(dòng)工作臺(tái)的柔性導(dǎo)軌、支承也常常采用的柔性鉸鏈的形式。采用柔性鉸鏈形式的微位移機(jī)構(gòu)，具有工作比較穩(wěn)定、摩擦小、間隙小、體積小和無(wú)爬行現(xiàn)象等特點(diǎn)；采用柔性鉸鏈的形式是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種比較新型的微位移機(jī)構(gòu)，是一種比較具有應(yīng)用前景的微位移形式。系統(tǒng)采用柔性鉸鏈為導(dǎo)軌形式，傳遞微位移驅(qū)動(dòng)器輸出的位移，它具有體積小、無(wú)機(jī)械摩擦、導(dǎo)向精度高、加工精度易于保證、不需要裝配等特點(diǎn)。</p><p>　　陳時(shí)錦，楊元華，孫

56、西芝，程凱[1] 研究了針對(duì)于一種常用的以雙柔性平行四連桿機(jī)構(gòu)作導(dǎo)向的二維微位移工作臺(tái)，如圖1-2所示，分析并推導(dǎo)出了工作臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)各性能的影響公式，并用有限元分析的方法驗(yàn)證了這些公式的正確性。之后建立了約束優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型, 以具體實(shí)例介紹了用有限元分析的方法進(jìn)行優(yōu)化求解，得出最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)的過(guò)程。</p><p>　　圖1-2 工作臺(tái)簡(jiǎn)圖</p><p>　　黃金永，魏燕定，張煒[3

57、] 研究了空間微動(dòng)平臺(tái)的柔性鉸鏈參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)合空間微動(dòng)平臺(tái)輕量化、尺寸小、一階共振頻率盡可能高的特點(diǎn)，以及滿足工作臺(tái)工作行程、位移驅(qū)動(dòng)器推力、和材料的許用應(yīng)力等要求，并通過(guò)對(duì)柔性鉸鏈公式的詳細(xì)計(jì)算分析，闡述了這種工作臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程，而且給出了這種工作臺(tái)得實(shí)例分析，同時(shí)使我們對(duì)柔性鉸鏈的參數(shù)有了一定的理解。</p><p>　　張建雄，孫寶元[5] 研究了基于柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)的二維微動(dòng)工作臺(tái)，介紹了采用壓電陶瓷執(zhí)行器

58、驅(qū)動(dòng)的X、Y微動(dòng)工作臺(tái)。如圖1-3所示。該微動(dòng)平臺(tái)以雙柔性平行四連桿結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用參數(shù)化的分析方法分析微動(dòng)平臺(tái)的固有頻率、應(yīng)力以及剛度與鉸鏈各尺寸的關(guān)系，最后通過(guò)綜合分析，提出了一種微動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　圖1-3 二維微動(dòng)工作臺(tái)</p><p>　　田延嶺，張大衛(wèi)，閆兵[6] 研究了二自由度微定位平臺(tái)，研制了一臺(tái)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)和彈性鉸鏈導(dǎo)向的一體化微定位平臺(tái)，該微動(dòng)工作

59、臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是具有高響應(yīng)速度、高剛度和高分辨率。為了解決壓電陶瓷執(zhí)行器伸長(zhǎng)量不足的問(wèn)題，采用杠桿放大機(jī)構(gòu)的形式來(lái)增加微動(dòng)工作臺(tái)的輸出位移?？紤]到驅(qū)動(dòng)電路可能會(huì)有影響，建立了微動(dòng)工作臺(tái)的機(jī)電耦合模型。通過(guò)試驗(yàn)研究了微定位平臺(tái)的靜動(dòng)態(tài)特性, 試驗(yàn)結(jié)果表明微定位平臺(tái)的分辨率為5 nm, 固有頻率分別為143 Hz 和180 Hz。</p><p>　　高　鵬，袁哲俊，姚英學(xué)[8] 研究了基于柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)的新型雙向微動(dòng)工作臺(tái)

60、。圖1-4為所研制工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖，各連接處都為柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)。該工作臺(tái)內(nèi)外層都是四支點(diǎn)支承的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，內(nèi)層(x向) 工作臺(tái)剛性嵌套在外層(y向) 工作臺(tái)內(nèi)，分別采用二個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)二維運(yùn)動(dòng)。該工作臺(tái)有兩級(jí)放大機(jī)構(gòu)。由于采用二級(jí)杠桿放大結(jié)構(gòu)，所以該雙向微動(dòng)工作臺(tái)滿足各類寬范圍掃描高精度定位場(chǎng)合的要求。</p><p>　　圖1-4　工作臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局

61、設(shè)計(jì)了一體化的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，以聯(lián)接X(jué)射線干涉儀和光學(xué)干涉儀。它采用的是3級(jí)杠桿，從驅(qū)動(dòng)到平臺(tái)臺(tái)面的位移比達(dá)1000，所以位移驅(qū)動(dòng)元件的要求大大降低了，但這種形式的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜。為了使射線干涉儀的測(cè)量范圍變大，德國(guó)設(shè)計(jì)了的鉸鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，見(jiàn)圖1-5，該結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，消除了垂直方向上對(duì)主運(yùn)動(dòng)的干涉運(yùn)動(dòng)，測(cè)量范圍達(dá)到了200多微米。以柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)微小位移還可以對(duì)激光干涉測(cè)量和電容測(cè)量進(jìn)行互相標(biāo)定。國(guó)際度量衡局研制的柔性鉸鏈懸掛

62、式等臂杠桿天平在空氣中和真空中的分辨率分別可達(dá)10-10和10-11以上。等臂式杠桿天平其分辨率可達(dá)10-5以上。</p><p>　　圖1-5 對(duì)稱結(jié)構(gòu)的柔性鉸鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)</p><p><b>　　本設(shè)計(jì)的任務(wù)</b></p><p>　　基于圓弧形柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)由壓電陶瓷執(zhí)行驅(qū)動(dòng)的、在X和Y方向上位移行程各位40微米的二維并聯(lián)微動(dòng)平

63、臺(tái)。通過(guò)該設(shè)計(jì)，使了解壓電微動(dòng)平臺(tái)的應(yīng)用領(lǐng)域，掌握柔性鉸鏈?zhǔn)綁弘娢?dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程，進(jìn)而掌握零、部件的一般設(shè)計(jì)過(guò)程。</p><p>　　先確定圓弧形柔性鉸鏈與微動(dòng)平臺(tái)的幾何尺寸，根據(jù)所確定的圓弧形柔性鉸鏈與微動(dòng)平臺(tái)的幾何尺寸以及所給定的微動(dòng)平臺(tái)的位移行程，計(jì)算出圓弧形柔性鉸鏈的最大應(yīng)力，并校核微動(dòng)平臺(tái)的強(qiáng)度；計(jì)算出微動(dòng)平臺(tái)的彈性恢復(fù)力、剛度，根據(jù)微動(dòng)平臺(tái)的彈性恢復(fù)力與剛度，確定壓電陶瓷執(zhí)行器的參數(shù)：最大輸出位移

64、、最大驅(qū)動(dòng)力、剛度。最后基于Pro/E、AutoCAD繪制了微動(dòng)平臺(tái)的三維造型圖、裝配圖與零件圖。</p><p><b>　　平臺(tái)結(jié)構(gòu)的初設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　運(yùn)動(dòng)原理圖</b></p><p>　　大多數(shù)二維微動(dòng)工作臺(tái)采用串聯(lián)式的結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)形式相當(dāng)于在一維工作平臺(tái)的內(nèi)部又線切割出相互垂直的另

65、一維平臺(tái)。雖然這種形式結(jié)構(gòu)緊湊，但外部平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)會(huì)影響內(nèi)部平臺(tái)的定位。另外其外部平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)力要大于內(nèi)部平臺(tái)驅(qū)動(dòng)力，柔性鉸鏈的工作情況復(fù)雜，不利于對(duì)稱性的發(fā)揮及其定位控制。綜合考慮二維柔性機(jī)構(gòu)的三種結(jié)構(gòu)形式疊加式、串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)缺點(diǎn)，采用并聯(lián)式的結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)兩維方向?qū)ΨQ，具有比串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式的更寬的有效工作平面，且更簡(jiǎn)單緊湊;由于x方向和y方向完全對(duì)稱，因此這兩個(gè)方向的參數(shù)也完全相同，便于參數(shù)識(shí)別與工作臺(tái)控制。在工作臺(tái)的一維方向上，

66、其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2-1所示。該結(jié)構(gòu)由6個(gè)柔性鉸鏈臂和12個(gè)柔性鉸鏈組成,與單平行的四桿機(jī)構(gòu)相比，由于該結(jié)構(gòu)的連桿沿桿長(zhǎng)方向伸長(zhǎng)而不產(chǎn)生寄生運(yùn)動(dòng)， x和y方向也不會(huì)相互耦合。</p><p><b>　　圖2-1結(jié)構(gòu)原理圖</b></p><p><b>　　微動(dòng)平臺(tái)的鉸鏈形式</b></p><p>　　超精密檢測(cè)、微操作

67、系統(tǒng)等要求具有納米級(jí)定位分辨率的技術(shù)領(lǐng)域中通常采用柔性鉸鏈為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的超高精度微動(dòng)工作臺(tái)，這種形式的工作臺(tái)已經(jīng)被廣泛的采用。隨著納米技術(shù)研究的不斷發(fā)展, 研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)主要在高頻響、高分辨率和寬行程的微動(dòng)工作臺(tái)上。隨著科技的不斷發(fā)展，各類精密、超精密設(shè)備和儀器被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活和科學(xué)研究中，比如圖形發(fā)生器、分步重復(fù)照相機(jī)、電子束和X射線及其檢測(cè)設(shè)備等。與此同時(shí)，相配套的各類精密、超精密微動(dòng)工作臺(tái)也被設(shè)計(jì)出來(lái)。</p>

68、;<p>　　柔性鉸鏈一般有兩種類型，即圓弧型柔性鉸鏈和矩形柔性鉸鏈，如圖2-2。與矩形柔性鉸鏈相比，圓弧型柔性鉸鏈的運(yùn)動(dòng)精度相對(duì)比較高，但運(yùn)動(dòng)的行程受到比較大的限制，能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)幅度比較小。矩形柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)幅度比較大，但是矩形鉸鏈的運(yùn)動(dòng)精度比較差，并且在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中它的轉(zhuǎn)動(dòng)中心有明顯的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。</p><p>　　圖2-2 矩形柔性鉸鏈和圓弧型柔性鉸鏈。</p><p>　　

69、本設(shè)計(jì)中采用的是圓弧形的柔性鉸鏈形式，圓弧形柔性鉸鏈具有使微位移工作臺(tái)具有無(wú)機(jī)械爬行現(xiàn)象的優(yōu)點(diǎn)。</p><p><b>　　驅(qū)動(dòng)器的選擇</b></p><p>　　壓電、電致伸縮器件是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型微位移器件。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、分辨率高、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它沒(méi)有發(fā)熱問(wèn)題，隨意對(duì)精密微動(dòng)工作臺(tái)沒(méi)有因?yàn)闊崃慷鹫`差。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)在納米級(jí)的微定位裝置中得

70、到廣泛應(yīng)用的原因是因?yàn)槠渚哂袆偠雀?、分辨率高、摩擦小和磨損小以及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。微動(dòng)平臺(tái)采用壓電陶瓷微位移執(zhí)行器，因?yàn)樗鼰o(wú)需傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有較高的位移精度、較快響應(yīng)速度和功耗低等特點(diǎn)，并且它是一種固體器件，易實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，所以被廣泛的應(yīng)用于微動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)中。采用壓電陶瓷執(zhí)行器制成的微動(dòng)工作臺(tái)，容易實(shí)現(xiàn)超精密定位，精度可以達(dá)到0.01微米，是理想的微位移執(zhí)行器，在精密機(jī)械中也是得到了廣泛的運(yùn)用。所以在本設(shè)計(jì)中選用的驅(qū)動(dòng)器是壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器。

71、</p><p>　　微動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的初設(shè)計(jì)</p><p>　　微動(dòng)工作臺(tái)對(duì)宏動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行定位誤差補(bǔ)償，使其最終定位精度達(dá)到納米精度。這里所設(shè)計(jì)的微動(dòng)工作臺(tái)是采用柔性鉸鏈支撐，并選用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，其整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　設(shè)計(jì)計(jì)算</b>

72、;</p><p><b>　　平臺(tái)材料的選擇</b></p><p>　　平臺(tái)的用材廣泛，如用低碳結(jié)構(gòu)鋼（如Q195、Q215、Q235），再用油漆防銹和裝飾，可達(dá)到較好的效果；用鉻不銹鋼、鉻鎳奧氏體不銹鋼（如1Cr13、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti）則更華麗，且耐蝕性好；鋁（工業(yè)純鋁L5及防銹鋁LF5、LF11、LF21等）、鋁合金、黃銅（H62、H68

73、等）等材料亦是很好的材料。</p><p>　　綜合考慮材料的性能和經(jīng)濟(jì)各方面，這里最終選取材料為鋁合金，鋁合金的彈性模量E為73 GPa，密度為2700，該材料密度較小,減輕了工作臺(tái)的負(fù)載。屈服強(qiáng)度≥274 MPa，材料的許用應(yīng)力為[σ]==137 MPa。</p><p><b>　　幾何尺寸的初步確定</b></p><p>　　平臺(tái)的幾

74、何尺寸初步確定</p><p>　　整個(gè)工作臺(tái)的幾何尺寸為：</p><p>　　鉸鏈的幾何尺寸初步確定</p><p>　　根據(jù)結(jié)構(gòu),首先選取鉸鏈寬度b=30mm，鉸鏈臂L=14mm，選取t=2mm, R=3mm。</p><p>　　鉸鏈的應(yīng)力計(jì)算與強(qiáng)度校核</p><p><b>　　設(shè)計(jì)滿足性能<

75、;/b></p><p>　　設(shè)計(jì)微位移工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，應(yīng)使工作臺(tái)能滿足以下性能要求：</p><p>　　( 1) 具有足夠的工作行程;</p><p>　　( 2) 柔性鉸鏈內(nèi)部應(yīng)力要小于材料的許用應(yīng)力;</p><p>　　( 3) 壓電陶瓷產(chǎn)生最大位移輸出時(shí), 工作臺(tái)的彈性恢復(fù)力應(yīng)小于壓電陶瓷的最大驅(qū)動(dòng)力;</p>

76、<p>　　( 4) 微位移工作臺(tái)的固有頻率應(yīng)盡可能大, 使其具有良好的動(dòng)態(tài)特性和抗干擾能力。</p><p><b>　　鉸鏈的強(qiáng)度校核</b></p><p>　　柔性鉸鏈，如圖3-1所示，它的截面是矩形形狀的，鉸鏈?zhǔn)怯蓛蓚€(gè)對(duì)稱的圓柱面切割而成，兩個(gè)圓柱面與端面垂直。對(duì)這種類型的柔性鉸鏈進(jìn)行分析，如圖3-1所示是對(duì)柔性鉸鏈各參數(shù)的定義。圖3-1表明了

77、柔性鉸鏈的幾何結(jié)構(gòu)、變形和受力情況。寬度b、厚度t、切割半徑R和圓心角為柔性鉸鏈的幾何尺寸。在本設(shè)計(jì)中柔性鉸鏈的受力和力矩主要為Fy、 Fz、My和Mz，其它可忽略不計(jì)。假設(shè)該圓弧形柔性鉸鏈的右端面為相對(duì)固定端，則柔性鉸鏈左端的變形主要為和。 </p><p>　　圖3-1 柔性鉸鏈定義</p><p>　　這里

78、z軸是柔性鉸鏈的輸入軸，柔性鉸鏈沿z軸產(chǎn)生的角變形是柔性鉸鏈最重要的參數(shù)。</p><p>　　在力矩作用下，產(chǎn)生角變形，其柔度的表達(dá)式如下：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　其中式(3-1)中的為中間變量，其表達(dá)為：</p><p><b>　　(3-2)</b>

79、;</p><p><b>　　其中，s=R/t。</b></p><p>　　在力作用下，產(chǎn)生角變形，其柔度的表達(dá)式如下：</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　在力矩作用下，產(chǎn)生線性變形，其柔度的表達(dá)式如下：</p><p><b>

80、;　　(3-4)</b></p><p>　　其中式(3-4)中的為中間變量，其表達(dá)為：</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　在力作用下，產(chǎn)生線性變形，其柔度表達(dá)式如下：</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p&g

81、t;　　其中式(3-6)中的為中間變量，其可表達(dá)為：</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　在力作用下，產(chǎn)生線性變形，其柔度表達(dá)式如下：</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　根據(jù)以上對(duì)鉸鏈的分析可知道單軸直圓柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角剛度公式為:&l

82、t;/p><p><b>　　(3-9)</b></p><p><b>　　其中。</b></p><p>　　由公式(3-9)可知,柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角剛度k與材料彈性模量E、鉸鏈寬度b、鉸鏈的圓弧半徑R以及鉸鏈的厚度t有關(guān)。</p><p>　　如圖2-1所示,當(dāng)柔性鉸鏈平臺(tái)在力的作用下平移距離Δ時(shí),彈

83、性恢復(fù)力Ft在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所做的功為:</p><p>　　48個(gè)柔性鉸鏈儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能為:</p><p>　　由能量守恒定律,彈性恢復(fù)力Ft在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所做的功A等于微動(dòng)臺(tái)所有柔性鉸鏈儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能A0。由A=A0可求得彈性恢復(fù)力:</p><p><b>　　(3-10) </b></p><p>　　該鉸鏈機(jī)構(gòu)的靜

84、剛度為:</p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)的二維微動(dòng)平臺(tái)要求在X和Y方向上的位移行程各位40 μm。而微動(dòng)工作臺(tái)要有一定的預(yù)緊力,微動(dòng)臺(tái)會(huì)在預(yù)緊力的作用下產(chǎn)生一定位移，設(shè)該位移為5 μm。則預(yù)緊力產(chǎn)生的位移和工作臺(tái)有效行程總共為Δ=45 μm。由公式(3-9)可得柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角剛度為:</p><p>

85、<b>　　柔性鉸鏈轉(zhuǎn)角為:</b></p><p>　　柔性鉸鏈的最大應(yīng)力為:</p><p>　　柔性鉸鏈的最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力[σ]==137 MPa，故復(fù)合設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　平臺(tái)的彈性恢復(fù)力計(jì)算</p><p><b>　　平臺(tái)的剛度為：</b></p>&

86、lt;p><b>　　平臺(tái)的強(qiáng)度為：</b></p><p>　　計(jì)算值遠(yuǎn)小于平臺(tái)材料的許用應(yīng)力[σ]==137 MPa，故滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　根據(jù)公式(3-10)可求得該機(jī)構(gòu)的彈性恢復(fù)力:</p><p>　　壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的選取</p><p>　　平臺(tái)在X、Y方向上的位移為40 μm，在預(yù)緊時(shí)

87、會(huì)產(chǎn)生5 μm左右的位移，故壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器選用國(guó)產(chǎn)PTBS200系列，型號(hào)為PTBS200/10x10/50。</p><p>　　該驅(qū)動(dòng)器的標(biāo)稱位移50 μm;最大推力1200 N，大于彈性恢復(fù)力138.5 N；剛度25 N/μm。該壓電驅(qū)動(dòng)器配置相應(yīng)的壓電驅(qū)動(dòng)電源可達(dá)到4 nm的位移分辨率，滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　平臺(tái)的剛度為3.46 N/μm，遠(yuǎn)小于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的剛度2

88、5 N/μm，故設(shè)計(jì)的平臺(tái)剛度符合設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　微動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　平臺(tái)載物面的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　因?yàn)槠脚_(tái)載物面在工作時(shí)有位移的移動(dòng)，為了避免摩擦等因數(shù)對(duì)工作臺(tái)的精度產(chǎn)生影響，所以在工作臺(tái)上表面工作部分設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)高出一點(diǎn)，如圖4-1所示，因?yàn)槠脚_(tái)頂面還要加一個(gè)頂蓋用來(lái)仿塵和保護(hù)作用

89、，考慮到其厚度大約有3mm，故設(shè)計(jì)載物面時(shí)應(yīng)總體向上突出5mm。</p><p>　　圖4-1 平臺(tái)載物面頂面</p><p>　　而底面工作部分工作時(shí)為了避免摩擦等影響工作臺(tái)的工作和精度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)內(nèi)凹4mm，如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 平臺(tái)載物面底面 </p><p>

90、;<b>　　壓電塊的預(yù)緊</b></p><p>　　平臺(tái)在壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生精密運(yùn)動(dòng)，故在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器工作前必須要有預(yù)緊力，本設(shè)計(jì)中采用預(yù)緊螺釘?shù)男问?，并在平臺(tái)上開(kāi)設(shè)了預(yù)緊孔，用來(lái)對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的預(yù)緊。</p><p>　　壓電驅(qū)動(dòng)器預(yù)緊孔的設(shè)計(jì)如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 壓電驅(qū)動(dòng)器預(yù)緊孔</p>

91、<p><b>　　電極線的引出</b></p><p>　　在平臺(tái)上若不開(kāi)設(shè)引線孔，壓電陶瓷的引線就無(wú)法順利的引出，故在壓電塊放置位置開(kāi)設(shè)了引線孔。</p><p>　　壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器引線孔的設(shè)計(jì)如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器引線孔</p><p><b>　　平臺(tái)

92、的封閉</b></p><p>　　為了保證平臺(tái)的精度，需對(duì)平臺(tái)采取一定的保護(hù)措施，在本設(shè)計(jì)中在平臺(tái)的頂面和底面分別加了一個(gè)蓋，起到仿塵和保護(hù)的作用，提高平臺(tái)的使用壽命。在設(shè)計(jì)中頂蓋內(nèi)邊緣設(shè)計(jì)時(shí)離平臺(tái)的載物面應(yīng)留出大約1mm的間隙，這樣做可以避免頂蓋對(duì)平臺(tái)工作的影響，也起到了有效的保護(hù)。</p><p>　　平臺(tái)的封閉設(shè)計(jì)如圖4-5所示。</p><p>

93、;<b>　　（a） 頂蓋</b></p><p><b>　?。╞） 底蓋</b></p><p><b>　?。╟） 間隙</b></p><p>　　圖4-5 平臺(tái)的封閉</p><p>　　平臺(tái)的安裝與零件的固定</p><p>　　平臺(tái)的安

94、裝孔與平臺(tái)的加工零件的固定孔如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6 安裝孔與固定孔</p><p>　　詳細(xì)的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)附錄。</p><p><b>　　結(jié)論與展望</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)完成了圓弧形柔性鉸鏈?zhǔn)降亩S微動(dòng)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)。該微動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用柔性鉸鏈支撐的并聯(lián)式，該結(jié)構(gòu)與串聯(lián)式結(jié)構(gòu)

95、相比，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單緊湊，具有比串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式更寬的有效工作平面，其x方向和y方向完全對(duì)稱，所以這兩個(gè)方向的參數(shù)完全相同，便于參數(shù)識(shí)別與工作臺(tái)的控制；該平臺(tái)以雙平行四桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，本設(shè)計(jì)在雙平行四桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上又進(jìn)行了改進(jìn)，使平臺(tái)的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，更加保證了平臺(tái)的精度。并確定了圓弧形柔性鉸鏈與微動(dòng)平臺(tái)的幾何尺寸，根據(jù)所確定的圓弧形柔性鉸鏈與微動(dòng)平臺(tái)的幾何尺寸以及所給定的微動(dòng)平臺(tái)的位移行程，計(jì)算出了圓弧形柔性鉸鏈的最大應(yīng)力，并校核微動(dòng)平臺(tái)的強(qiáng)度；

96、計(jì)算出了微動(dòng)平臺(tái)的彈性恢復(fù)力、剛度，根據(jù)微動(dòng)平臺(tái)的彈性恢復(fù)力與剛度，確定了壓電陶瓷執(zhí)行器的參數(shù)：最大輸出位移、最大驅(qū)動(dòng)力、剛度。最后基于Pro/E、AutoCAD繪制了微動(dòng)平臺(tái)的三維造型圖、裝配圖與零件圖。</p><p>　　大范圍、 高精度是納米科技對(duì)微動(dòng)工作臺(tái)提出的新要求，然而大行程和高精度是微動(dòng)技術(shù)中的一對(duì)矛盾。所以微動(dòng)工作臺(tái)應(yīng)把如何解決這一對(duì)矛盾作為未來(lái)的研究方向。比如根據(jù)現(xiàn)已有的各種微動(dòng)平臺(tái)，妥善的處

97、理好其中一些微動(dòng)平臺(tái)的間的兼容性，并解決好機(jī)械的裝配誤差，粗精工作臺(tái)的結(jié)合運(yùn)用等工作，粗動(dòng)臺(tái)用以完成快速大范圍，微動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)高精度，也就是說(shuō)通過(guò)微動(dòng)工作臺(tái)對(duì)粗動(dòng)工作臺(tái)由于運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的誤差進(jìn)行精度補(bǔ)償。也可以采用不同形式的結(jié)構(gòu)來(lái)消除結(jié)構(gòu)上的一些缺陷，比如產(chǎn)用并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以有效的避免使x和y方向發(fā)生相互耦合的現(xiàn)象。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p&

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