柔性铰链微位移放大机构的研究
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
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
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））。