1、华东交通大学硕士学位论文基于双曲余弦柔性铰链的三自由度微动工作台设计姓名：谌建华申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：刘平安20080418Abstract II DESIGN OF 3-DOF MICRO-PLATFORM BASED ON COSH-FLEXURE HINGES ABSTRACT In this thesis, much information on micro-displacement stages have been collected; their study status at home and abroad has been introduced i
2、n brief. And some control elements and mechanism in micro-displacement system have been sufficiently stated and compared. In addition, evaluation criterion of micro-displacement system and application of flexure hinge have been summarized. In chapter 2, the blueprint of 3 degrees of freedom displace
3、ment stage is laid out, applied two kinds of flexure hinge micro-displacement mechanism(i.e. single and double parallel four bars), the latter moves only in single direction. In chapter3, the classification of usual flexure hinge is introduced. The stiffness of cosh-flexure hinge selected in this th
4、esis is deduced, and getting the relations between structural parameters and rotational stiffness. The chapter4 and 5 are the key part of this thesis, based on the study, the author improves the structural parameters of rotation stage by optimization model after deriving its function of displacement
5、 under force. The static and dynamic characteristic models of stage are built by ANSYS software, which analyses the displacement, stress and natural frequency. Furthermore, the influence of primary structural parameters on static and dynamic characteristic is analyzed by orthogonal experimental sche
6、me comprehensively and the numerical results from experiment are regressed by stepwise regression method, thus the optimization regression equation is obtained. Key Words： micro-displacement stage, finite element method(FEM), cosh-flexure hinge, stepwise regression 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的
7、研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名_日期_ 关于论文使用授权的说明 本人完全了解华东交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的论文在解密后遵守此规定，本论文无保密内容。 本人签名_导师签名_日期_ 第一章 绪论 2第一章 绪
8、论 课题的目的和意义 柔性铰链具有结构紧凑、体积小、无机械摩擦、无间隙、无爬行、机械谐振频率高、抗震动干扰能力强、具有较高的位移分辨率(可达1 nm)等特点，利用柔性铰链的弹性变形，可以方便地实现精密微动工作台的微量运动，而轴向转动刚度又较高，能保证运动精度。使用压电或电致伸缩件驱动，不仅控制简单，而且可以很容易实现亚微米甚至纳米级的精度，同时不产生噪音和发热，可适宜于各种介质环境工作。目前很多纳米定位机构都采用柔性铰链式导轨、压电或电致伸缩式驱动控制，采用的原理有杠杆原理和仿生原理，这种系统已在航空、宇航、微电子工业部门、精密测量和微调及生物工程领域获得重要应用。近年来，多采用柔性铰链(fl
9、exure hinge)作为传动组件，并对工作平台施加外力以控制其微小位移/角度。关于柔性铰链的研究可追溯到1965年Paros J M&Weisbord L1用材料力学的基本理论推导出柔性铰链在受到力以及力矩作用时，所产生的位置以及角度变化与其几何尺寸之间的关系。1996年由Xu &King2提出关于柔性铰链的研究，比较了接头为半圆形、边角形及椭圆形等柔性铰链，得到椭圆形有较佳的疲劳寿命，边角形设计则有较佳的柔韧性；并讨论了柔顺微动机构的位移表现量及运动的精确度、柔韧性和承受的应力大小；采用FEM(有限元法)来分析铰链接头不同的圆弧角的变化，得出半圆形铰链有较好的刚度，但位移的表现较差，边角
10、形为直角时位移较佳，但刚度较差，若从制造及疲劳的角度来看，边角形为直角时并不适用。1997年，Smith S T3等人也针对椭圆式的柔性铰链做出类似的理论推导。之后，国内也有一些学者对半圆形4-9、椭圆形10、半圆椭圆形11、双曲线形12、13等柔性铰链也做了相关的研究。 柔性铰链的中部较为薄弱，在力矩作用下可以产生弹性角变形，能在机械结构中起到铰链的作用。它与一般铰链的区别是没有机械结构上的间隙，并且有弹性回复力，因而消除了运动中的摩擦和回退空程，而且具有结构紧凑、运动精度高的特点，在精密机械、精密测量、微米、纳米技术等领域得到广泛应用14。用线切割的方法取代钻孔来加工圆弧型柔性铰链和柔性铰
11、链机构，使其设计和制造更加简便和准确。它在现实生活中有着广泛的应用，主要用于支撑、联接、调整、测量和柔性铰链与压电驱动结合这两大方面。像我们所熟悉的超精密定位工作台、超精密机械加工、打印头、光学自动聚焦、压电马达、微夹持器等等。 （1） 柔性铰链用于支撑、联接、 调整和测量 柔性铰链轴承在现代机器中出现得越来越多，图1-1(a)是典型的柔性铰链轴承。它可以将轴瓦设计为一体，简化了装配过程并降低了加工的尺寸公差要求。与固定形状的第一章 绪论 3轴承相比，柔性铰链轴承可降低液体滑动摩擦轴承的半速涡动，防止颤振。 图1-1(b)是由柔性铰链组成的柔性联接器。它只传递垂直于纸面方向的推力，在水平方向和
12、垂直方向移动的刚度很低。利用柔性铰链还可设计具有2个转动自由度的弹性万向节，有结构紧凑、传动精密的特点。 图1-1(c)是基于柔性铰链的光学元件座子。在平台的任一边加上调整螺钉，可使水平表面精密地偏转。它成本低，在小的运动范围内具有很高的分辨率。如将来的光盘有更大的存储密度和更高的读取速度，光盘的转速也应随之提高，则要求DVD/CD拾音头的驱动有更大的加速度和更好的线性度。利用柔性铰链机构可以很好地解决这些问题。 德克萨斯大学设计的光刻对准台中运用了柔性铰链四连杆作为调整机构，如图1-1(d)。在距离中心10mm处施加一个4N的力可使安装模板的平台相对感光基底偏转0.5mrad。有限元分析表明
13、，当倾斜角为0.38mrad时，模板的侧向运动小于5nm。 近10年来出现了许多具有亚纳米级灵敏度的线性位移测量传感器。它们很多都使用了光学干涉仪，然而，条纹细分是建立在理想形态干涉信号的基础上的，实际的干涉条纹同理想形态还有差距。利用X射线干涉测量线性内插光学干涉仪的条纹可以准确地测量条纹的位移。英国国家物理实验所（NPL）的组合式光学和X射线干涉仪（COXI）结合了光学干涉仪的大行程和X射线干涉仪的高分辨率，光学干涉仪以间隔158.25nm的整数条纹为步进，X射线干涉仪以0.192nm的硅（200）晶格为步进。为了实现硅晶薄片之间纳米级运动，采用了柔性铰链平行四杆机构传递位移，见图1-1(
14、e)。利用该仪器可对亚纳米级灵敏度的线性位移传感器进行标定。 为了加大X射线干涉仪的测量范围，德国设计了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200 m。柔性铰链机构传动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。 柔性铰链还被用于啮合齿轮齿表摩擦系数的测量。如图1-1(f)所示，被测齿轮用柔性铰链连杆联接，保证了齿轮的中心距不变，并精确的产生啮合齿轮间的相对运动。 (a)柔性铰链轴承 (b)柔性联接器 (c)光学元件座子 (d)柔性铰链四杆调整机构 (e)柔性铰链平行四杆机构 (f)柔性铰链联接啮合齿轮 图1-1 柔性铰链的应用 Fi
15、g.1-1 Application of Flexure Hinge 第一章 绪论 4（2） 柔性铰链与压电驱动结合的应用 压电驱动器具有运动平稳、分辨率高、刚度大和能量转换效率高等特点，是精密定位的理想驱动元件。但压电驱动器一般只有几至几十微米的位移，而在许多工程应用中需要更大的运动范围。柔性铰链具有运动平稳、无需润滑、无回退空程、无摩擦、高精度等优点，因此在绝大多数情况下，利用柔性铰链机构传递和放大压电驱动器位移最为适宜。同时柔性铰链机构还为压电驱动器提供适当的预紧，避免其承受拉应力，以下是一些压电元件驱动、柔性铰链机构传动的典型例子。 超精密定位工作台。1978年美国国家标准局开发了一个
16、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1-2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 m的工作范围内，以1nm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1-2 压电驱动高精度工作台 Fig.1-2 Piezoelectricity-Drive High Degree of Accuracy Platform 超精密机械加工。由压电元件、柔性铰链机构和电容传感
17、器组成的微定位刀架用于超精密金刚石切削。微定位刀架的行程为5 m，刀架自身的分辨率小于1nm，但由位移传感器决定了其闭环系统的定位分辨率约为5nm。实验测得刀具切深控制的分辨率小于25nm. 在精密联接工艺,如激光焊接中，需要较大运动范围、结构紧凑、高刚度、垂直运动的微动台。因此设计了图1-3所示微动台，水平内置式压电块推动杆1和杆2，通过对称的柔性铰链放大机构将压电块位移转化为台面的垂直运动。该微动台的运动范围为20 m,垂直刚度为6N/ m,频响为364Hz。 图1-3 垂直运动的微动台 Fig.1-3 Vertical Motion Micro-displacement Platform
18、 光学自动聚焦。在自动化生产中，显微镜结合图像处理作为传感器得到广泛应用。为了获得高质量的图像而需要高精度的自动聚焦系统。采用压电驱动，柔性铰链机构传第一章 绪论 5动的自动聚焦系统的重复精度达到0.035 m，能对放大倍率为100的物镜聚焦。而用传统的步进马达驱动、滚珠丝杠传动来定位，精度仅为1 m左右，物镜的放大倍率也被限制在40左右。 压电马达。与流行的超声行波压电马达不同，利用压电驱动，柔性铰链机构传动实现动子和静子间的夹紧和步进转动，可以得到另一种形式的压电马达。 以同样的运动原理，还可设计成直线马达。飞利浦公司设计的压电驱动，柔性铰链机构传动的直线马达的静态定位误差为30nm，驱动
19、力为3N，最高速度为34mm/s。压电直线马达的柔性铰链机构采用一体化设计，并在固定的平行导轨中运动，获得了5nm的位移分辨率、90N/ m的刚度、200N的输出力，以及6mm/s的运动速度。 压电马达与常规马达相比，在低速情况下可获得高定位精度，并能承受一定的力矩或力，掉电时可通过较高的摩擦力将转子固定，因此适用于直接驱动。但压电马达的能量转换效率较低，寿命有限，价格高，功率不大。 主动式径向空气轴承。空气轴承具有高精度和低摩擦力而在精密工程领域被广泛采用，然而由于低的刚度和阻尼使其容易振动，轴和轴承的形状误差也会使转轴的运动精度降低。如图1-4所示，利用柔性铰链机构配以压电驱动调整空气垫位
20、置的主动式径向空气轴承可精密控制轴的径向位移。实验表明，主动式径向空气轴承具有近乎无限的静态刚度，并提高了阻尼值，在750r/min的转速下，轴的运动精度优于21nm。 图1-4 主动式径向空气轴承 Fig.1-4 Active Radial Air Bearing 微夹持器。在微型仪器的装配、生物细胞的操作和微细外科手术等领域需要使用微型夹持器。微夹持器通过柔性铰链杠杆机构将压电驱动器的位移放大70倍，使其2个手指合拢以抓取微小物体。Arai等研制的微夹持器运用了2个压电块分别实现粗定位和精密定位。粗定位的压电块通过2级柔性铰链杠杆机构放大得到最大位移为212.8 m，精密定位的压电块通过一
21、级柔性铰链杠杆机构放大得到最大位移为84.9 m。 至于对平台整体的研究，1983年，Tanaka15对四连杆平台机构提出动态特性分析的方法，并导出机构的共振频率。1989年，Hara &Sugimoto16利用机构合成分析法来分析平行移动的微调平台。1994年，Her & Chang17则提出一种线性分析模式，利用线性化平台机构运动的约束方程式及虚功原理解出平台弹性连杆的角度变化及位移。经过本人查阅文献，还没有发现有人做过双曲余弦柔性铰链的多自由度微动工作台设计，认为值第一章 绪论 6得探讨。在追求高品质产品的当今时代中，柔性铰链微动工作台在微电子工业、精密加工和精密测量中都有着广泛的应用。
22、本课题在前人对直梁型和圆弧型柔性铰链设计的基础上，通过梁理论与能量法分别建立转动工作台和平动工作台的解析模型，将解析所得的结果与软件仿真的结果进行比较验证，并应用正交试验和回归分析对已设计的转动工作台和平动工作台进行回归优化分析，得出工作台位移量和最大内应力与工作台各结构参数的关系。 课题相关领域的研究现状 随着微位移技术的发展，微型机电器件及系统已从实验室走向市场，形成新的产业，以微型器件为测量对象的纳米测量技术自二十世纪末以来越来越受到学术界的重视，具有纳米级分辨率的测量方法研究日趋深入和成熟，并陆续开发研制出一些测量器件及仪器。微定位工作台的研究首先是美国斯坦福大学于1970年开始的，美
23、国国家标准局研制出柔性支承压电驱动微调工作台用于航天技术中；1978年，Scire & Teague18利用压电叠层作为驱动器，并以Paros J M&Weisbord L所分析的柔性铰链的结果，设计出一个可达50微米行程1纳米以下分辨率的平台。1987年，Matey19等人利用Bimorph的压电材料组成的结构体，设计了一个运动范围为120 m x 120 m x 120 m的X-Y-Z三轴精密定位机构，其变形敏感度为0.3 m/V。之后Henmi20等人于1991年也采用积层式压电材料作驱动器，设计出多自由度微动平台。1991年，Kauai21利用液压驱动器，以200kg的负载，配合平面轴
24、承导引(plain bearing guide ways)达到1纳米的定位分辨率。1992年，Nomura & Suzuki22则利用摩擦驱动机构配合滚动导轨，设计出一个可达到纳米级分辨率的六轴精密定位机构。1997年Lee&Kim23设计了一个应用于半导体晶圆步进器的校正机台，平台的定位精度可以达到纳米级，大进给平台以二个线性马达在导轨上驱动，精密进给以压电组件推进，用偏转度 作为定位的补正误差值。1997年Ryu24等应用柔性铰链机构，设计出晶圆平台，使浮动平台的两个轴向都具有放大位移量的表现，以及 偏转角度的功能，其特色为将三根压电驱动器，呈120度放射状摆置，各自推动两组合式的连杆铰链
25、机构，其优点是在同一层平台上就有X、Y两个轴向位移及旋转 角度的偏转量，针对X、Y、 的动态特性，用数学方程解铰链接头的各项参数尺寸，决定最优化的参数尺寸，及平台自然频率的振形。到1999年，Chang25等利用参数的最优化分析，处理几何公差和不同材质的问题，设计出一个三自由度的精密定位平台，用LVDT及激光干涉仪实验测量，在150 V驱动下，有最大位移量17.9 m，分辨率9.6nm。在最大位移范围内，另一轴偏移率低于1.14%, X, Y平台共振频率为627HZ 。此外，日本日立制作所研制的X-Y- 三自由度微动工作台采用柔性支撑导轨、压电驱动方式的微位移机构，位移精度为0.05um，行程
26、为8um，该机构成功应用于电子曝光机；日本武藏野电气通讯研究所用在x射线曝光机上的六个自由度的微动工作台，采用平行弹簧导轨电致或电磁伸缩微位移驱动，行程为20um，分辨率为0.01 um；英国第一章 绪论 7Queensgate公司研制了两维纳米级工作台；日本筑波大学、名古屋大学、东京大学、早稻田大学及富士通研究所等单位十年前就开始研究各种无间隙直接驱动机构及其控制方法；德国PI公司开发出.PI系列产品，其中也有高定位精度的微驱动机构；国内清华大学26、27、合肥工业大学28-32、北京航空航天大学33分别研制出压电陶瓷驱动精密操作器；哈尔滨工业大学34研制出电致伸缩大行程超精密平面微驱动器，
27、并且对微位移机构进行了深入的研究，取得了开拓性的成果。此外，我国也还有其它一些大学35-45对此做了相应的研究。 课题主要研究内容 本课题是针对一个同时具有自由度（，方向移动，方向旋 转）的微动动作台，通过柔性铰链传递角度和位移，达到微动定位的目的。建立相关的数学解析模型，并将解析模型所得的结果与软件分析的结果进行比较。 研究的具体部分分为以下几项： （）确定微动工作台的整体设计框架。 （2）建立双曲余弦柔性铰链解析模型，并建立微动工作台的运动方程式。 （）应 用 软件建立双曲余弦柔性铰链及微动工作台实体模型，并用软件对所建立的模型进行仿真。 （）将解析所得的结果与软件仿真得的结果进行比较验证
28、，得出位移量和最大内应力与工作台各结构参数的关系。 根据本课题所要研究的内容、课题的进展和本人的研究情况，本文的框架如图1-5： 图1-5 论文总体框架图 Fig.1-5 Overall Frame Diagram of Paper 第一章 绪论 8 本章小结及内容安排 本章主要介绍了论文的目的和意义，通过大量查阅资料，了解了国内外的发展状况，提出了本文研究工作的主要内容。第二章介绍了常用的微位移系统，驱动器及其各自的原理、特点和应用，提出了三自由度微位移工作台的设计方案及其设计中要考虑的问题和应用的方法。第三章介绍了柔性铰链的分类，重点推导了双曲余弦柔性铰链的转动刚度。第四、五章是本文的重点
29、，对工作台中的转动、平动工作台进行了具体的设计和分析，并对它们进行优化设计。应用正交试验和回归分析对已设计的转动和平动工作台进行回归优化分析。最后一章对前面的工作进行了小结，并对下一步工作做了展望。 第二章 微位移机构总体设计方案 9第二章 微位移机构总体设计方案 微位移系统的基本介绍 我们知道微位移系统主要由驱动器和微纳米级位移传动机构组成，通过控制输入量，使驱动器产生的形变经传动机构成为一种可控的输出位移或运动。驱动器产生原始动力和位移，传动机构的作用是将驱动器十分微小的形变予以传递且增幅或减幅，满足系统所要输出位移或运动的要求。不考虑驱动部分的驱动器特性和形式，根据微位移机构的机构特性可
30、分为下面三种： （1）从达到位移的特性来看：常见的机构实现的微位移有一定的范围(一般5微米)，以微定位工作台为主要形式。对这种类型机构研究最多，本课题研究即属于此类。这类机构大多有导轨导向和支撑，系统刚度好、控制简单、运动精度高、稳定性好。另一种是具有蠕动特性的机构，通过与外界力的作用和能量交换或转化，使系统整体产生爬行，此系统尺寸一般较小，它们属于微机电系统(MEMS)的一种。例如：浙江大学的丁凡，戴旭涵等研究了超磁致伸缩材料的蠕动微位移机构。利用国产的新型超磁致伸缩材料(GMM)棒研制成蠕动微位移机械。其整体结构如图2-1(a)所示：A，C为吸紧机构，B为伸缩机构。吸紧机构采用了电磁铁式的
31、结构（图2-1(b)），当线圈通过电流时，在壳体，芯棒和导轨表面间产生了电磁吸力，将吸紧机构紧紧地吸附在导轨表面，产生吸紧动作。伸缩机构的结构是由GMM棒、挡铁、前端盖、套筒、后端盖形成闭合磁路(图2-1(c)。当线圈内有驱动电流通过时，产生电磁场，GMM棒在此电磁场作用下伸长，推动挡铁沿轴线方向向外运动，产生伸出动作；驱动电流为零时，GMM棒复原，在簧圈的作用下挡铁缩回，产生缩回动作。 图2-1 蠕动微位移结构 Fig.2-1 Creeping Micro-displacement Mechanism 第二章 微位移机构总体设计方案 10（2）导轨形式来看：微位移驱动器输出位移之后，需要用配
32、套的导轨以尽可能小的误差来传递位移。导轨主要是用来保证各运动部件的相对位置和相对运动精度以及承受载荷(包括工作台、滑板部件的重量)的。导轨的基本要求:导向精度高，精度保持性好，运动灵活而平稳，结构简单，工艺性好等等。按导轨形式可分为下面5种： 滑动导轨：是支承件和运动件直接接触的导轨。优点是结构简单、制造容易、接触刚度大。缺点是摩擦阻力大、磨损快；动、静摩擦系数差别大，低速度时，易产生爬行。这种导轨很难达到亚微米级以上的精度，不适宜用于微位移系统。 滚动导轨：是在两导轨面之间放入滚珠、滚柱、滚针等滚动体，使导轨运动处于滚动状态。由于滚动摩擦阻力小，使工作台移动灵敏。但是，这种导轨是点或线接触，
33、抗震性差，接触应力大，所以在设计这种导轨时，对导轨的直线性和滚动体的尺寸精度要求高。导轨对污渍比较敏感，防护困难，其结构比滑动导轨复杂，制造困难，成本高。 在阶跃输入下滚动导轨与滑动导轨呈现相同的摩擦特性，其定位精度和分辨率虽较滑动导轨工作台有较大提高，但仍难于稳定地达到亚微米级以上的高精度指标。因此也不适宜用于制作微位移平台。 气浮导轨：即气体静压轴承，是在两导轨面间有气腔，当压力空气引入气腔后，工作台浮起，在两导轨面之间形成一层极薄的气膜，气膜厚度基本上保持恒定不变。在规定的运动速度和承载范围内，配套的导轨工作面互相不接触，形成完全的空气摩擦。图2-2所示是一种形式的气浮导轨。 图2-2
34、气浮导轨 Fig.2-2 Air Guiding Rail 气浮导轨运动精度高，无发热现象，没有热变形，摩擦与振动小，无爬行 现象，使用寿命长。但是气浮导轨承载能力低，刚度差，安装困难，需要配套高质量的气源，其结构一般庞大，使用费用高。总之，气浮导轨能达到亚微米甚至纳米级的精度，但很少被应用。 平行弹性导轨：工作原理如图2-3所示，工作台由平行簧片支承，当受到驱动力F的作用时，簧片发生变形，使工作台在水平方向上产生微小位移 。由于弹性导轨仅利用受力后的弹性变形来实现微位移，故仅存在弹性材料内部分子之间的内摩擦，而且没有间隙，因此可以达到极高的分辨率，缺点是行程较小。 第二章 微位移机构总体设计
35、方案 11图2-3 平行弹性导轨 Fig.2-3 Parallel Spring Guiding Rail 柔性支承导轨：实际上是以柔性铰链代替杠杆机构或四杆机构等运动机构中的普通铰链而形成的一种运动机构。 柔性铰链属可逆弹性支承结构，它是在基体上加工出一个强度较弱的部分，利用该部分的微小变形及材料的弹性回复力来实现结构的变形达到位移输出。 由于柔性铰链无机械摩擦，仅存在弹性材料内部分子之间的内摩擦，无间隙，运动灵敏度高，因而柔性支承导轨可以达到极高的分辨率；加上柔性支承导轨结构紧凑、体积很小、重量轻、不需要润滑等优点，使得它在微位移系统中得到了广泛地应用。柔性铰链同平行弹性导轨一样，行程较小
36、。本课题在设计微位移平台时将采用图2-4所示的导轨形式。 图2-4 柔性铰链示意图 Fig.2-4 Flexure Hinge Sketch 导轨形式的选择对微位移机构的定位精度和位移分辨率有重要影响，微位移误差可用下式确定： 3 sdFFK+= （2-1） 式中： sF系统摩擦表面静摩擦力 dF系统摩擦表面动摩擦力 K 系统的刚度 （3）从机构可实现的自由度看：最早研究的机构为一个或两个自由度，后来发展到以3自由度为主的机构，还有6个自由度的形式。 一个自由度的微位移机构体积小、控制简单，广泛应用于微进给机构上，在精密加工机床上发挥着巨大作用。两个自由度和三个自由度机构可实现平面和空间定位，
37、在精密定位、航空航天、生物医学、扫描隧道显微镜等领域有着广泛的应用。图2-5中微位移机构是采用杠杆原理与柔性铰链结合的整体式结构，利用压电陶瓷作为驱动器，如图2-5(a)所示。其机构原理如图2-5(b)，整个机构由两组杠杆平行四边形机构组成，在第一组杠杆平行四边形机构ABD-ECHG中，杠杆ABD和杠杆EDC组成一二级杠杆机构，其中第二章 微位移机构总体设计方案 12A、E分别为两根杠杆的支点。电致伸缩陶瓷驱动器M加上电压在B点产生的微量位移，经两级杠杆放大拉动平行四边形机构ECHG，使连杆P产生y方向的位移。同理，在连杆P上也有一组杠杆平行四边形组合机构abd-echg，在驱动器N驱动下，使
38、连杆S产生x方向位移，这样最终实现了连杆S的二维移动。图2-6利用压电元件驱动，柔性铰链机构传动的平面工作台能实现超高精度定位，通常在平面上实现X方向Y方向的运动需要各自单独的压电元件进行驱动，且不易获得运动块 B相对固定端O沿 Y方向运动方向的转动。为了简化平面工作台的结构和控制，完善功能并提高其性能，提出了一种新颖的单驱动，X-Y- 微动工作台的设计方案。其核心部件柔性铰链传动机构采用了由单个元件驱动的多自由度运动机构的原理杆1，2，运动块A，B，C及固定端 O通过铰链连接，运动块2与杆C固接。当驱动元件P伸长时，运动块 B相对固定端O沿 Y方向运动，运动块 A相对固定端O沿 X方向运动，
39、运动块C相对固定端O沿 方向运动。 (a) 二维微位移机构图 (b) 二维微位移原理图 图2-5 二维微位移系统 Fig.2-5 2-D Micro-displacement System 图2-6 三自由度运动机构原理图 Fig.2-6 3-Dof Motion Machanism Elementary Diagram 由以上介绍和分析，并根据本课题研究的目的，我们选定以柔性铰链为支撑的可实现0-30微米的精密三自由度( XY)，即平面内两个平动和一个转动的微位移工作台作为设计和研究对象。 第二章 微位移机构总体设计方案 13 常用驱动器的介绍 驱动器是一种将电、光、热等多种形式的能量转换成
40、为机械能输出的换能器。它有多种不同的工作原理和结构形式。若按能量转换形式来分类，有静电驱动、电磁驱动、压电驱动、形状记忆合金驱动、光驱动、凝胶驱动、热驱动以及超导驱动等形式。若按其输出运动的形式分类，有线位移式、回转式和尺蠖式等。 压电陶瓷微位移器的原理、特点及应用 压电陶瓷微位移器是由多层压电陶瓷薄片，经过多层叠层技术制成的固态移动器，它能直接将电能转换成动能(机械位移)。压电驱动的工作原理是基于压电体具有逆压电效应：S= 33 d E1(其中：S为应变；33 d 为逆压电系数；E1为电场强度)，即当压电体受电场作用时会产生形变。与其他形式的驱动相比，压电驱动具有的最大特点和优点是为微米、纳
41、米量级的位移或运动提供了新手段和新途径。同时，压电驱动具有控制方便、位移分辨率高、频率响应好、不发热、推力大、无噪声、外界干扰小等优点。但压电陶瓷本身存在着非线性、迟滞、蠕变等缺点，需要通过一些措施来改变和补偿。 压电驱动具有很大的发展前途，大多应用在高技术领域，如光纤光学定位，自适应光学，生物工程细胞穿制，精密微定位，摄影，摄像器材快门控制，光纤熔接机等。 电致伸缩陶瓷微位移器(以WTDS型为例) WTDS电致伸缩微位移器是由PLZT陶瓷材料(在电场作用下，该材料晶格定位引起介电驰豫而发生形变)，经叠层工艺制作而成的。它是一种高分辨电压控制微小应变的器件。其位移量是由叠层数和电场大小控制的。
42、它具有工作电压低、分辨率高、响应快、滞后小、回零再现性好、无老化现象、稳定性好等突出优点。它是光学、机械加工、电子、航空、生物、医学、遗传工程和光纤通讯等领域中实现超精定位、超精加工、误差补偿、相位调制等功能的理想执行器件。该器件定位精度可达亚微米级，分辨率可达到几十纳米。 位移量S(单位：m)与电场的平方成正比2 SnME=，n为叠层数，参数M为电致伸缩系数，单位：22/ mV ，E为电场强度(V/m)。以50mm长的器件(每层0.2mm)为例，在小于300 ADV电压驱动下，它的最大位移量可达4050 m之间，能承受的最大阻挡力为1002/Ncm ，响应时间为10100 msms 。 超磁
43、致伸缩驱动器 超磁致伸缩驱动器是利用超磁致伸缩材料在外部磁场发生变化时，其材料发生伸长形变这一特点研制的，驱动器是由磁致伸缩棒、永磁铁套桶、驱动用螺线管线圈、轭铁及弹性钢片等组成。基于超磁致伸缩材料的驱动器以其输出力大、位移分辨力高、位移范围大、漂移小、低压工作等特点在超精密定位系统中有着广阔的应用前景。但其结构第二章 微位移机构总体设计方案 14复杂，有漏磁、工作时存在发热和受温度变化影响的缺点和不足。 压电电致伸缩陶瓷微位移器的比较 压电/电致伸缩陶瓷微位移器是近年发展起来的新型微位移器件，它具有体积小、出力大、精度和分辨率高以及频响高等优点，且不发热、无噪音，目前在光学、电子、航天航空、
44、机械制造、生物工程、机器人等领域得到了广泛的应用。随着纳米技术的兴起与发展，为了实现精微操作，不但要求压电陶瓷具有很高的可控精度，而且对压电陶瓷位移的线性度、重复性及响应速度的要求也越来越高，但是由于压电陶瓷本身存在着非线性、迟滞、蠕变等缺点，使其应用受到了一定的限制，因而有必要对压电/电致伸缩陶瓷的机理进行进一步的分析和研究。 压电陶瓷和电致伸缩陶瓷都是电介质，电介质在电场的作用下有两种效应，逆压电效应和电致伸缩效应。其中逆压电效应是指电介质在外电场作用下产生应变，应变大小与电场大小成正比，应变的方向与电场方向有关。而电致伸缩效应是指电介质在电场的作用下由于感应极化作用引起应变，且应变大小与
45、电场方向无关，但与电场的平方成正比。上述效应可用公式表达如下： 2sdEME=+ （2-2） 式中： dE 为逆压电效应；2 ME 为电致伸缩效应；d为压电系数(m/V)；M为电致伸缩系数(22/mV )；E为电场(V/m)；s为应变。 压电陶瓷的逆压电效应和电致伸缩效应本质上就是电介质在电场的作用下产生极化，在宏观上表现为机电藕合效应。 三自由度（ XY）微位移工作台设计方案 设计中需要考虑的几个问题 在微位移工作台结构设计过程中，要以研究的目的和达到的目标为中心，实现三个自由度( XY)运动，能够达到所需要的行程，位移精度和分辨率。而且要考虑到选择的驱动器的性能、尺寸和驱动力的大小，机构零
46、件的加工工艺和总体装配的难易程度和其使用的可靠性，对它的主要强度需有保证。另外，该系统的运动关系要尽可能简单，便于控制。 在达到系统所期望的性能前提下，机构的体积和制造成本尽量小，同时还要兼顾进一步研究的价值，尽可能扩大其实用性，对结构的外观也尽可能使其美观。总之，既要追求科学研究价值又要照顾到经济和美学价值，把科学研究中的设计提高到新的高度，做到实用和美观并重。 微位移技术的评价参数 第二章 微位移机构总体设计方案 15微位移技术，即微米及以下位移运动的相关技术和器件。从该技术的提出到研究人员在以下几个方面的努力，这几个方面的具体参数可以作为微位移系统的评价标准。 （1）微位移的分辨率。微位
47、移的分辨率是评价微位移系统的最重要指标。目前人们正朝纳米级的目标迈进，但大多数现有的微系统只能实现亚微米级。 （2）精度。系统的绝对精度、相对精度和重复精度也是重要的评价指标。 （3）行程大小。行程一般为几微米到几十微米，需要根据使用用途来决定行程大小。 （4）运动自由度的个数。根据其具体应用并考虑其功能的扩充决定机构需要具备的自由度数目。 （5）线性关系。输入和输出的线性关系明显好，便于控制。 （6）反应速度。系统反应灵敏、迟滞和蠕变小，控制和动作速度响应快。 （7）稳定性。即要求系统和其部件受外界条件(振动、温度、气压等)因素影响较小。 （8）系统的复杂性。指其结构和制造工艺复杂程度、体积
48、大小和控制系统的复杂程度。系统越简单越好。 （9）其它性能。如系统的可靠性、刚度、润滑和摩擦、能量变化、动力学等等。 在以上标准中有些是矛盾的或相互牵制的，比如位移精度和行程大小、自由度和系统的结构、控制的复杂性、体积和刚度等。考虑时，不可能使全部指标都达到最好，要根据具体要求，寻找全面兼顾(应用现代设计方法是可行的)或顾全主要性能的设计方案。 设计方案的确定 为提高微位移系统的性能，力求提高其主要评价指标，在对微位移系统的形式确定后，参考了国内外比较好的微位移机构设计，为达到平面内两个平动(X和Y方向)和一个转动(绕Z轴)，在X-Y方向平动的基础上加上一个转动自由度。整个机构的结构由三层(外，内，中心)镶套而成，每层为一个单元模块实现一个自由度运动，使三自由度之间不存在相互藕合，便于高精度控制。两个平动单元用柔性铰链为转动副的双平行四杆机构(简称柔性铰链型双柔性平行四杆机构)实现X, Y方向平动，中心单元用柔性铰链为转动副的单平行四杆机构(简称柔性铰链型单平行四杆机构)实现转动，如图2-7。单平行四杆机构，从理论上可归属于采用柔性铰链为“转动副”的平行四边形结构，但它的转动角度有限，准确的说是摇杆机构。采用柔性铰链为“转动副”的双平行四杆机构为对称机构，来保证单一方向运动而不会产生其他方向运
