1、精 密 儀 器 設(shè) 計 Design of Precision Instrument,五、微位移技術(shù),微位移技術(shù),一：概述,二：壓電、電致伸縮器件,三：電磁控制的微動工作臺,四：柔性鉸接,五：精密工作臺的設(shè)計及特性分析,六：其他類型微位移工作臺,微位移技術(shù)發(fā)展很快。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，要求加工出幾何精度高于1/10光波波長的表面，即幾何形狀誤差小于0.05 m。計算機(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程中維持1 m內(nèi)的浮動氣隙，就必須嚴(yán)格控制磁盤或磁鼓在高速回轉(zhuǎn)下的跳動。特別是到20世紀(jì)70年代后期，微電子技術(shù)向大規(guī)模集成電路（LSI）和

2、超大規(guī)模集成電路（VLSI）方向發(fā)展，隨著集成度的提高，線條越來越微細(xì)化。256K動態(tài)RAM線寬已縮小到1.25 m左右。目前已小于0.1 m，對與之相應(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1/31/5,即亞微米甚至納米級的精度。,概述,概述,微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用,微位移機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的基本構(gòu)造：,微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用,微位移機(jī)構(gòu)（或稱微動工作臺）由微位器和導(dǎo)軌 兩部分組成，根據(jù)導(dǎo)軌形式和驅(qū)動形式分成五類： 柔性支撐、壓電或電致伸縮微位器驅(qū)動 ； 滾動導(dǎo)軌，壓電陶瓷或電致伸縮微位移器驅(qū)動； 滑動導(dǎo)

3、軌，機(jī)械式驅(qū)動； 平行彈性導(dǎo)軌，機(jī)械式或電磁、壓電、電致伸縮微位移器驅(qū)動； 氣浮導(dǎo)軌，伺服電機(jī)或直線電機(jī)驅(qū)動。微位移器根據(jù)形成微位移的機(jī)理可分成兩大類：機(jī)械式和機(jī)電式.,微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用,微位移系統(tǒng)的應(yīng)用：微位移系統(tǒng)在精密儀器中主要用于提高整機(jī)的精度，根據(jù)目前的應(yīng)用范圍，大致可分為四個方面: 1.精度補(bǔ)償 精密工作臺是高精度精密儀器的核心，當(dāng)前精密工作臺的運(yùn)動速度，一般在20mm/s50mm/s，最高的可達(dá))100mm/s以上，而精度則要求達(dá)到1m以下，由于高速度帶來的慣性很大，一般運(yùn)動精度比較低，為解決高速度和高精度的矛盾，通常采用粗精相結(jié)合的兩個工作臺來實現(xiàn)。,微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用

4、,如圖5-3(a)所示粗工作臺完成高速度大行程而高精度由微動工作臺來實現(xiàn)，通過微動工作臺對粗動工作臺運(yùn)動中帶來的誤差進(jìn)行精度補(bǔ)償，以達(dá)到預(yù)定的精度。,微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用,2.微進(jìn)給 主要用于精密機(jī)械加工中的微進(jìn)給機(jī)構(gòu)以及精密儀器中的對準(zhǔn)微動機(jī)構(gòu)，如圖5-3(b)所示金剛石車刀車削鏡而磁盤，車刀的進(jìn)給量為5m就是利用微位移機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的。,微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用,3.微調(diào) 精密儀器中的微調(diào)是經(jīng)常遇到的間題，如圖5-3(c)所示，左圖表示磁頭與磁盤之間的浮動間隙的調(diào)整，右圖為照相物鏡與被照乾版之間焦距的調(diào)整。,微位移機(jī)構(gòu)的分類及應(yīng)用,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

5、等，用于夾持微小物體。如圖5-3(d)所示，微型器件裝配系統(tǒng)的微夾持器。,幾種常用的微動工作臺,1.柔性支承壓電或電致伸縮微位移器驅(qū)動 柔性支承微動機(jī)構(gòu)是近年來發(fā)展起來的一種新型的微位移機(jī)構(gòu)。它的特點是結(jié)構(gòu)緊湊、體積很小，可以做到無機(jī)械摩擦、無間隙，其有較高的位移分辨率，可達(dá)1nm。使用壓電或電致伸縮器件驅(qū)動，不僅控制簡單(只需控制外加電壓)，而且可以很容易實現(xiàn)亞微米甚至是毫微米級的精度，同時不產(chǎn)生噪聲和發(fā)熱，可適于各種介質(zhì)環(huán)境工作，是精密機(jī)械中理想的微位移機(jī)構(gòu)。書P143,幾種常用的微動工作臺,2.滾動導(dǎo)軌壓電器件驅(qū)動 采用滾動導(dǎo)軌作為精密儀器中的精密工作臺是一種常見的導(dǎo)軌形式，它具有行程大

6、，運(yùn)動靈活、結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、易實現(xiàn)較高的定位精度的優(yōu)點。我國1445所使用滾珠導(dǎo)軌作為微動工作臺的支承和導(dǎo)向元件，壓電器件驅(qū)動實現(xiàn)了對自動分步重復(fù)光刻機(jī)(DSW)的微定位控制圖5-7)。微動臺的最大行程9.5m，定位精度為0.04m。,幾種常用的微動工作臺,3.平行彈簧導(dǎo)軌機(jī)械式位移縮小機(jī)構(gòu)驅(qū)動 （1)彈性縮小機(jī)構(gòu)：這種微動機(jī)構(gòu)利用兩個彈簧的剛度比進(jìn)行位移縮小，如圖5-8所示。這種縮小機(jī)構(gòu)的缺點是當(dāng)微動臺承受外力或移動導(dǎo)軌部分存在摩擦力時，它將直接成為定位誤差的因素，而且對于步進(jìn)狀態(tài)的輸人位移容易產(chǎn)生過渡性的振蕩，所以在不適于動態(tài)響應(yīng)的條件下，可用于光學(xué)零件的精密調(diào)整機(jī)構(gòu)等。,幾種常用的微

7、動工作臺,3.平行彈簧導(dǎo)軌機(jī)械式位移縮小機(jī)構(gòu)驅(qū)動 (2)杠桿式位移縮小機(jī)構(gòu) 杠桿式位移縮小機(jī)構(gòu)也是微動機(jī)構(gòu)中常用的一種形式。 (3)楔形位移縮小機(jī)構(gòu) 圖5-10(a)所示是利用具有微小角度的斜楔機(jī)構(gòu)的位移縮小機(jī)構(gòu)也已在實際中應(yīng)用。 特點是易獲得大的縮小比，同時又能獲得較大的移動范圍。,幾種常用的微動工作臺,3.平行彈簧導(dǎo)軌機(jī)械式位移縮小機(jī)構(gòu)驅(qū)動,幾種常用的微動工作臺,4.平行彈簧導(dǎo)軌電磁或電致伸縮微位移器驅(qū)動 為克服絲杠螺母機(jī)構(gòu)的摩擦和間隙，可采用電磁驅(qū)動的彈簧導(dǎo)軌微動工作臺。其原理如圖5-11所示，微動工作臺用平行片簧導(dǎo)向，在工作臺端部固定著強(qiáng)磁體，如坡莫合金制成的小片，與坡莫合金小片相隔適

8、當(dāng)?shù)拈g隙裝有電磁鐵，通過電磁鐵的吸力與上述平行片簧導(dǎo)軌的反力平衡，進(jìn)行微位移動工作臺的定位。,幾種常用的微動工作臺,5氣浮導(dǎo)軌：在近代精密導(dǎo)向技術(shù)中，行程與分辨率是一對主要矛盾。彈性導(dǎo)軌是為解決高分辨率(亞微米甚至是毫微米級)而采用的，但行程較小。為解決大行程和中等分辨率(亞微米級)的矛盾，在實際中廣泛使用了氣浮導(dǎo)軌。滾動導(dǎo)軌雖然也有可能達(dá)到亞微米級的精度，但一般而言，滾動導(dǎo)軌不如氣浮導(dǎo)軌精度高且保持性和抗干擾性比較差。氣浮導(dǎo)軌具有誤差均化作用，因而可用比較低的制造梢度來獲得較高的導(dǎo)向精度，而目氣浮導(dǎo)軌還可使工作臺得到無摩擦和無振動的平滑移動，因此在精密機(jī)械和儀器獲得廣泛的應(yīng)用。,幾種常用的微

9、動工作臺,圖5-15是日本富士通公司的一種精密自動掩模對準(zhǔn)工作臺，其獨特之處是楔形縮小機(jī)構(gòu)與驅(qū)動機(jī)構(gòu)同時兼作x，y方向的直線導(dǎo)軌。楔塊部分由空氣軸承構(gòu)成，通過滾珠絲杠推動位移輸人塊，在2mm的移動范圍內(nèi)，得到0.03m的分辨率。,幾種常用的微動工作臺,6.滑動導(dǎo)軌壓電器件驅(qū)動 圖5-18是安徽機(jī)械科學(xué)研究所研制的、利用壓電陶瓷實現(xiàn)刀具自動補(bǔ)償?shù)奈⑽灰茩C(jī)構(gòu)及其原理示意圖，在壓電陶瓷上加電壓之后，向左伸長，推動方形楔塊和圓柱楔塊，克服壓板彈簧的彈力將固定鏜刀的刀套頂起，實現(xiàn)鏜刀的徑向補(bǔ)償。,幾種常用的微動工作臺,5.2壓電、電致伸縮器件,壓電、電致伸縮器件是近年來發(fā)展起來的新型微位移器件。它其有結(jié)

10、構(gòu)緊湊、體積小、分辨率高、控制簡羊等優(yōu)點，同時它沒有發(fā)熱問題，故對精密工作臺無因熱量而引起的誤差。用這種器件制成的微動工作臺，容易實現(xiàn)精度為0.1 m的超精密定位，是理想的微位移器件，在精密機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用。,5.2壓電、電致伸縮器件,5. 2. 1壓電與電致伸縮效應(yīng)機(jī)電藕合效應(yīng) 電介質(zhì)在電場的作用下，有兩種效應(yīng)壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)，統(tǒng)稱機(jī)電耦合效應(yīng)。 電介質(zhì)在電場的作用下，由于感應(yīng)極化作用而引起應(yīng)變，應(yīng)變與電場方向無關(guān)，應(yīng)變的大小與電場的平方成正比，這個現(xiàn)象稱為電致伸縮效應(yīng)。而壓電效應(yīng)是指電介質(zhì)在機(jī)械應(yīng)力作用下產(chǎn)生電極化，電極化的大小與應(yīng)力成正比，電極化的方向隨應(yīng)力的方向而改變。在微

11、位移器件中我們應(yīng)用的是逆壓電效應(yīng)，即電介質(zhì)在外界電場作用下，產(chǎn)生,5.2壓電、電致伸縮器件,應(yīng)變，應(yīng)變的大小與電場大小成正比，應(yīng)變的方向與電場的方向有關(guān)，即電場反向時應(yīng)變也改變方向；電介質(zhì)在外加電場作用下應(yīng)變與電場的關(guān)系為 S=dE十ME2 （5-4） 式中:dE逆壓電效應(yīng)。其中，d為壓電系數(shù),m/V；E為電場，V/m； ME2電致伸縮效應(yīng)。其中M為電致伸縮系數(shù)，/； S應(yīng)變。,5.2壓電、電致伸縮器件,逆壓電效應(yīng)僅在無對稱中心晶體中才有，而電致伸縮效應(yīng)則所有的電介質(zhì)晶體都有，不過一般來說都是很微弱的。壓電單晶如石英、羅息鹽等的壓電系數(shù)比電致伸縮系數(shù)大幾個數(shù)量級，結(jié)果在低于1MV/m的電場作用

12、下只有第1項，即逆壓電效應(yīng)。 在外電場作用下電介質(zhì)所產(chǎn)生的與場強(qiáng)二次方成正比的應(yīng)變， 稱為電致伸縮1。這種效應(yīng)是由電場中電介質(zhì)的極化所引起，并可以發(fā)生在所有的電介質(zhì)中。其特征是應(yīng)變的正負(fù)與外電場方向無關(guān)。在壓電體中（見壓電性），外電場還可以引起另一種類型的應(yīng)變；其大小與場強(qiáng)成比例，當(dāng)外場反向時應(yīng)變正負(fù)亦反號。后者是壓電效應(yīng)的逆效應(yīng)，不是電致伸縮。外電場所引起的壓電體的總應(yīng)變?yōu)槟鎵弘娦?yīng)與電致伸縮效應(yīng)之和。對于非壓電體，外電場只引起電致伸縮應(yīng)變。,5.2壓電、電致伸縮器件：材料,1.壓電晶體 壓電晶體常用的材料是鋯鈦酸鉛和鈦酸鋇。由鈦酸鉛和鎬酸鉛組成的多晶固溶體，全名稱為鎬鈦酸鉛壓電陶瓷，代號P

13、ZT(P鉛；Z鋯；T鈦)，其特點是: 敏度高；機(jī)電耦合系數(shù)大，故機(jī)電換能效率高；機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高，幾百到幾千；材料性能穩(wěn)定；居里溫度很高；,5.2壓電、電致伸縮器件：材料,2.電致伸縮材料 電致伸縮材料最早是PMN鈮鎂酸鉛系。1977年美國L. E. Cross教授研究出具有大電致伸縮效應(yīng)的弛豫鐵電體組分0.9PMN-0.1PT，它的居里點在0附近。1981年又開發(fā)了三元系固溶體0.45PMN-0.36PT-0.19BZN雙弛豫鐵電體，它具有良好的溫度穩(wěn)定性及大電致伸縮效應(yīng)。它的介電常數(shù)、橫向應(yīng)變特性曲線如圖5-20。PMN是由PbO,MgO,Ti，BaC,ZrO等按比例燒結(jié)而成。1981年我國

14、1426所研制La：PZT,5.2壓電、電致伸縮器件,1.壓電徽位移器件 用壓電陶瓷作微位移器件目前已得到廣泛的應(yīng)用，如激光穩(wěn)頻、精密工作臺的補(bǔ)償、精密機(jī)械加工中的微進(jìn)給以及微調(diào)等。用于精密微位移器件的壓電陶瓷，應(yīng)滿足下列要求：1）電靈敏度高，即單位電壓變形大.2）行程大，電壓變形曲線線性好；3）體積小，穩(wěn)定性好，不老化，重復(fù)性好。壓電陶瓷的主要缺點是變形量小，即壓電微位移器件在施加較高電壓時，行程仍很小，所以在設(shè)計微位移器時，應(yīng)盡量提高壓電陶瓷的變形量，,提高微位移器行程的措施 1、增加壓電陶瓷的長度L和提高施加的電壓U, 不足之處是結(jié)構(gòu)增大，使用不便； 2、減小壓電陶瓷的厚度b, 不足之處

15、是使強(qiáng)度下降； 3、選擇不同的材料，壓電系數(shù)不同； 4、變形方向與極化方向一致； 5、采用壓電堆； 6、尺螨機(jī)構(gòu)。,5.2壓電、電致伸縮器件,2.電致伸縮器件 電致伸縮器件最早是1977年由Cross等人研制的，把PZT5或PMN材料制成25.4mm，厚2mm的圓片10片疊加起來，如圖5-26（a），外加2.9KV電壓可得到13m的位移，其分辨率為1nm。電致伸縮馳豫型鐵電體比普通的壓電陶瓷更優(yōu)越：1）電致伸縮應(yīng)變大；2）位置重復(fù)性（再現(xiàn)性）好； 不需要極化；3）不老化；4）熱膨脹系數(shù)很低。,5.3電磁控制的微動工作臺,電磁控制的微動工作臺首先由日本研制成功。1955年NIHIZAWA等人開始

16、研究至1975年研制出定位精度為0.2um的微動工作臺，并成功地應(yīng)用于電子束曝光機(jī)中，成為微位移技術(shù)中的一個新方法。,5.3電磁控制的微動工作臺_工作原理,電磁驅(qū)動的原理如圖5-28所示，把微動工作臺1用4根鏈或金屬絲4懸掛起來；工作臺兩端分別用彈簧3固定，另外兩端放置兩塊電磁鐵。通過改變電磁鐵線圈的電流來控制電磁鐵對工作臺的吸引力，克服彈簧的作用力，達(dá)到控制工作臺微位移的目的。 設(shè)工作臺的位移量為d，當(dāng)電磁 鐵的吸引力為F時，此時工作臺保 持平衡。F應(yīng)等于彈簧的拉力F與 工作臺由初始位置位移d所產(chǎn)生的 掛絲拉力F之和，即,5.3電磁控制的微動工作臺_工作原理,5.3電磁控制的微動工作臺_工作

17、原理,電磁鐵的吸引力為 式中:B電磁場磁通密度，Wb/m2； 導(dǎo)磁率,H/m； S磁極截面面積，。 彈簧的拉力為,5.3電磁控制的微動工作臺_工作原理,式中:k彈簧常數(shù),kg/m； d工作臺移動距離，m； g常數(shù)(g=9.8N/kg)。 設(shè)由于工作臺移動而形成懸掛絲的偏角為,工作臺向上移動為 h,那么， h=L(1-cos) 式中，L為掛絲長度，當(dāng)L足夠長時，h/L=1- cos。由于很小，故h/L0，故彈簧拉力與掛絲的拉力相比較，可以忽略不計，所以公式(5-9)變成,5.3電磁控制的微動工作臺_工作原理,由上式可見工作臺移動的距離,d與磁通密度的平方成正比，通過改變流過電磁鐵線圈中的電流可以

18、改變磁通密度，以達(dá)到控制位移的目的。,5.3電磁控制的微動工作臺_工作原理,通過線圈的電流與磁通密度的關(guān)系為 式中：N繞在電磁鐵上的線圈圈數(shù)； L磁路長度，m； 磁性材料的導(dǎo)磁率, H/m； 空氣隙的導(dǎo)磁率,H/m； d空氣隙長度，m； I電流強(qiáng)度，A。 將式(5-12)代人式(5-11),5.3電磁控制的微動工作臺_工作原理,得當(dāng)磁性材料的導(dǎo)磁率0比氣隙導(dǎo)磁率大得多時，即0 l/d,則：公式(5-13)變?yōu)?(5-14) 由上式可見，工作臺移動的距離與電流和線圈圈數(shù)平方成正比。,5.3電磁控制的微動工作臺_工作原理,5.3.3設(shè)計中需考慮的幾個問題 1.精度、穩(wěn)定速度和氣隙的關(guān)系：當(dāng)不考慮磁

19、飽和特性時，隨精度和定位范圍的確定，則合適的穩(wěn)定速度和氣隙長度也確定了。電流變化速度I/A和氣隙d變化量之間的關(guān)系如圖5-30。|d|在1um1Omm之間，精度K為0.1um10um。為提高精度，應(yīng)采取較高的電流變化精度。 磁飽和是一種磁性材料的物理特性，磁飽和產(chǎn)生后，在有些場合是有害的，但有些場合有時有益的。比方磁飽和穩(wěn)壓器，就是利用鐵心的磁飽和特性達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的的。 假定有一個電磁鐵，通上一個單位電流的時候，產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度是1，電流增加到2的時候，磁場強(qiáng)度會增加到2.3，電流是5的時候，磁場強(qiáng)度是7，但是電流到6的時候，磁場強(qiáng)度還是7，如果進(jìn)一步增加電流，磁場強(qiáng)度都是7不再增加了，這時

20、就說，電磁鐵產(chǎn)生了磁飽和。,5.3電磁控制的微動工作臺_工作原理,5.4柔性鉸鏈,20世紀(jì)60年代前后，由于宇航和航空等技術(shù)發(fā)展的需要，對實現(xiàn)小范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)的支承，不僅提出了高分辨率的要求而且對其尺寸和體積提出了微型化的要求。人們在經(jīng)過對各類型的彈性支承的實驗探索后，才逐步開發(fā)出體積小無機(jī)械摩擦、無間隙的柔性鉸鏈。隨后，柔性鉸鏈立即被廣泛地用十陀螺儀、加速度計、精密天平、導(dǎo)彈控制噴嘴形波導(dǎo)管天線等儀器儀表中，并獲得了前所未有的高精度和穩(wěn)定性。,5.4柔性鉸鏈,如日本工業(yè)技術(shù)院計量研究所，利用柔性鉸鏈原理研制的角度微調(diào)裝置，在3分的角度范圍內(nèi)，達(dá)到了1000萬分之一度的穩(wěn)定分辨率。近年來，柔性鉸鏈

21、又在精密微位移工作臺中得到了實用，開創(chuàng)了工作臺進(jìn)人毫微米級的新時代。 柔性鉸鏈用于繞軸作復(fù)雜運(yùn)動的有限角位移，它的特點是:無機(jī)械摩擦、無間隙、運(yùn)動靈敏度高。柔性鉸鏈有很多種結(jié)構(gòu)，最普通的形式是繞一個軸彈性彎曲，這種彈性變形是可逆的。,5.4柔性鉸鏈的類型,1.單軸柔性鉸鏈 截面形狀有圓形和矩形的兩種，如圖5-32所示。 2.雙軸柔性鉸鏈： 雙軸柔性鉸鏈?zhǔn)怯蓛蓚€互成90度的單軸柔性鉸鏈組成的(圖5-33(a)，對于大部分應(yīng)用，這種設(shè)計的缺點是兩個軸沒有交叉，具有交叉軸的最簡單的雙軸柔性鉸鏈?zhǔn)前杨i部做成圓桿狀(圖5-33(b)，這種設(shè)計簡單且加工容易，但它的截面面積比較小，因此縱向強(qiáng)度比圖5-33

22、(a)弱得多。需要垂直交叉和沿縱向軸高強(qiáng)度的雙軸柔性鉸鏈，可采用圖5-33(c)的結(jié)構(gòu)。,5.4柔性鉸鏈的類型,美國國家標(biāo)準(zhǔn)局研制一維微動工作臺，壓電元件驅(qū)動,其空間尺寸范圍為：100mm100mm20mm，位移分辨率為1nm，行程范圍為50m。,專題一、柔性鉸鏈精密定位技術(shù)國內(nèi)外研究狀況,國外,2007年德克薩斯大學(xué)，以交叉片狀柔性鉸鏈組成的機(jī)構(gòu)為導(dǎo)向支承裝置，以直線電機(jī)為驅(qū)動元件設(shè)計了一種新型X-Y定位平臺。載物平臺的運(yùn)動范圍200mm200mm。,美國范德堡大學(xué)的JOHN.S等人設(shè)計的柔性三維工作臺，采用了帶有切口的柔性中空轉(zhuǎn)動鉸，驅(qū)動元件為音圈電機(jī)。其三維運(yùn)動空間范圍為20mm20mm

23、20mm,韓國：圓形柔性鉸鏈，平面并聯(lián)三自由度微動平臺，壓電元件驅(qū)動器。,瑞士：宏/微雙驅(qū)動原理的定位機(jī)構(gòu)，它的微操作部分由柔性鉸鏈和音圈馬達(dá)組成。,清華大學(xué)：x-y微動工作臺，柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)作為傳動導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，以電致伸縮微位移器為驅(qū)動機(jī)構(gòu),國內(nèi),北京航空航天大學(xué)高鵬等人研制的微動工作臺，雙向運(yùn)動范圍都可達(dá)到40m以上,位移分辨率優(yōu)于10nm，柔性鉸鏈為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，2個壓電陶瓷驅(qū)動器。,哈爾濱工業(yè)大學(xué)，二維納米微位移平臺，壓電元件作為驅(qū)動器，柔性鉸鏈作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。,哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所，采用等截面圓柱形柔性鉸鏈設(shè)計了一種六桿支承的并聯(lián)柔性機(jī)構(gòu)，超聲波電機(jī)為驅(qū)動元件，其運(yùn)動空間可達(dá)170mm3,

24、 重復(fù)定位精度和分辨率優(yōu)于100nm。,平面一維 亞微米 微行程（100微米以下）,空間多自由度 納米級 大行程（幾毫米以上）,微行程：單驅(qū)動模式 PZT（壓電元件） 柔性鉸鏈結(jié)構(gòu),宏/微雙驅(qū)動模式，微定位 對宏定位的誤差進(jìn)行修正。,需要兩個以上的驅(qū)動元件、位置傳感器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，不利于小型化；控制難度大，需要實現(xiàn)宏微驅(qū)動間的快速無擾切換,專題二、大行程柔性導(dǎo)軌研究 現(xiàn)有大行程柔性 機(jī)構(gòu),北航,北航,德克薩斯大學(xué),密歇根大學(xué),串聯(lián)柔性機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu),圓形 橢圓形,拋物線形 雙曲線形,典型柔性鉸鏈轉(zhuǎn)角柔度特性對比,基本假設(shè),上圖定義一個柔性鉸鏈所需的結(jié)構(gòu)參數(shù)，b為柔性鉸鏈沿 z軸方向

25、的寬度，最小厚度為t，長度為2a，切口深度為c，柔度計算公式的建立基于下述假設(shè)： 1、柔性鉸鏈的柔性部位沿過旋轉(zhuǎn)中心的縱軸和橫軸幾何對稱。 2、柔性鉸鏈的分析是基于小變形的歐拉-伯努利梁理論，由力和彎矩產(chǎn)生彎曲變形，忽略剪切和扭轉(zhuǎn)的變形，考慮軸向載荷的影響。 3、柔性鉸鏈的一端固定，另一端為自由端。,位移與載荷的關(guān)系：,典型柔性鉸鏈的通用柔度公式:,典型柔性鉸鏈轉(zhuǎn)角柔度特性對比,典型柔性鉸鏈柔性部位的可變厚度函數(shù)ti(x) ：,引入兩個無量綱參數(shù)：,典型柔性鉸鏈轉(zhuǎn)角柔度特性對比,各典型柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角柔度計算公式：,典型柔性鉸鏈轉(zhuǎn)角柔度特性對比,有限元分析結(jié)構(gòu)與理論公式計算結(jié)果最大誤差不超過8%

26、，證明理論模型的正確性。,以圓形柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角柔度為比較基準(zhǔn)，引入轉(zhuǎn)角柔度比函數(shù) ：,典型柔性鉸鏈轉(zhuǎn)角柔度特性對比,橢圓形、拋物線形、雙曲線形柔性鉸鏈與圓形柔性鉸鏈的柔度比函數(shù)分別為 ：,典型柔性鉸鏈轉(zhuǎn)角柔度特性對比,橢圓形與圓形柔性鉸鏈 柔度比函數(shù),拋物線形與圓形柔性鉸鏈 柔度比函數(shù),典型柔性鉸鏈轉(zhuǎn)角柔度特性對比,雙曲線形與圓形柔性鉸鏈 柔度比函數(shù),固定 柔度比函數(shù),（1）當(dāng)參數(shù)增大而減小時，柔度比函數(shù)fi增大； （2）對于相對較大的參數(shù)和相對較小的參數(shù)，橢圓形柔性鉸鏈、拋物線形柔性鉸鏈和雙曲線形柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角柔度大于直圓形柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角柔度，即轉(zhuǎn)角柔度比參數(shù)fi大于1，且橢圓形柔性鉸鏈具有

27、最佳轉(zhuǎn)角柔度特性； （3）對于參數(shù)的某一固定值，參數(shù)存在一個臨界值，當(dāng)大于該臨界值時，雙曲線形柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角柔度大于與拋物線形柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角柔度；當(dāng)小于該臨界值時，拋物線形柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角柔度大于雙曲線形柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角柔度。,剛度理論模型 由位移和載荷之間的關(guān)系及功能守恒定理得單組柔性機(jī)構(gòu)的剛度理論模型為：,則n組串聯(lián)后的剛度理論模型為：,串聯(lián)柔性機(jī)構(gòu)受力F時，單組機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力為：,最大應(yīng)力模型,為便于研究單組柔性機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)對 其最大應(yīng)力的影響引入?yún)?shù) :,串聯(lián)柔性機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計,幾何參數(shù)與剛度關(guān)系曲線,串聯(lián)柔性機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計,幾何參數(shù)與最大應(yīng)力參數(shù)關(guān)系曲線,串聯(lián)柔性機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計,各參數(shù)取

28、值情況：a=3mm，c=1mm，t=0.25mm，b=8mm，l=9mm，n=5。將個參數(shù)帶入剛度和最大應(yīng)力公式得：,1串聯(lián)柔性機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計,有限元分析得剛度值2.82N/mm，最大應(yīng)力為153MPa ；分析所得剛度值略大于理論值，應(yīng)力值小于理論值。,位移2.5mm應(yīng)力云圖,串聯(lián)柔性機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計,剛度實驗測試：實驗測得的剛度值為2.94N/mm，與理論公式計算結(jié)果(2.73N/mm）的誤差為7.1%。,串聯(lián)柔性機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計,固有頻率為：,下圖為串聯(lián)柔性機(jī)構(gòu)1/2模型的多剛體離散化模型，動能公 式為：,計算得串聯(lián)柔性機(jī)構(gòu)的固有頻率為：,串聯(lián)柔性機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計,串聯(lián)柔性機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計,5.5

29、精密微動工作臺的設(shè)計及其特性分析,實現(xiàn)微位移機(jī)構(gòu)的方案比較多，用途也很廣泛，根據(jù)不同的要求，采取不同的方案。應(yīng)以滿足使用要求而又經(jīng)濟(jì)合理為準(zhǔn)則。但作為精度補(bǔ)償用的微動工作臺，因它的精度要求比較高，一般都在亞微米級以上，所以設(shè)計時除滿足使用要求外，還應(yīng)具有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。,5.5.1設(shè)計要求,1）微動工作臺的支承或?qū)к壐睉?yīng)無機(jī)械摩擦和無間隙，使其具有較高的位移分辨率，以保證高的定位精度和重復(fù)精度，同時還應(yīng)滿足工作行程； 2）微動工作臺應(yīng)具有較高的幾何精度，即顛擺、滾擺和搖擺誤差要小，還應(yīng)具有較高的精度穩(wěn)定性； 3）微動工作臺應(yīng)具有較高的固有頻率，以確保微動臺有良好的動態(tài)特性和抗干擾能力

30、，即最好采用直接驅(qū)動的方式，無傳動環(huán)節(jié)； 4）微動系統(tǒng)要便于控制，而且響應(yīng)速度快。 。,5.5.2設(shè)計中需考慮的幾個問題,1.導(dǎo)軌形式的選擇對分辨率的影響 在微位移范圍內(nèi)，為使工作臺具有較高的位移分辨率，希望驅(qū)動力或輸入位移的微小變化，就能使工作臺有所響應(yīng)，因此導(dǎo)軌副間的摩擦力及其變化特性，對工作臺的微位移運(yùn)動特性有著重要的影響。,5.5.2設(shè)計中需考慮的幾個問題,滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌的最小位移分辨能力主要受靜、動摩擦力之差F和傳動系統(tǒng)剛度K的影響，減小動、靜摩擦力之差和提高傳動環(huán)節(jié)的剛度是提高工作臺位移分辨率的主要措施。但是由于滾動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、制造困難、抗震性差、對臟物非常敏感，因此不

31、適于作微動工作臺。由于彈性導(dǎo)軌僅利用受力后的彈性變形來實現(xiàn)微位移，故僅存在彈性材料內(nèi)部分子之間的內(nèi)摩擦，而且沒有間隙，因此可以達(dá)到極高的分辨力。,2.微動工作臺的驅(qū)動,彈性微動工作臺的位移精度完全取決于輸入位移的精度，因此如何產(chǎn)生微小位移是微位移技術(shù)中的重要問題。由第1節(jié)中可知，形成微位移的方法有兩種: 通過機(jī)械方法縮小輸入位移； 用各種物理原理直接產(chǎn)生微小位移。,2.微動工作臺的驅(qū)動,如前所述，機(jī)械式縮小方法，如彈性縮小機(jī)構(gòu)、杠桿、楔塊、絲杠等，都是通過縮小輸人位移來提高位置分辨率，已在實際中得到了應(yīng)用，并達(dá)到了亞微米級的定位精度。但它們共同的缺點是:結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，故有各自的局限性。,2.微動工作臺的驅(qū)動,直接產(chǎn)生微小位移的機(jī)構(gòu)，按物理原理，主要有:電