基于柔性铰链的微位移机构设计

　　微位移技术在光学、电子、微机电系统、航空航天、机械制造、机器人和生物医学等领域内有极为重要的地位[1]。尤其在超精密机床和超精密加工 中,为使机床微位移的分辨率进一步提高,为进行机床加工误差的在线补偿,以提高加工的精度,都需要使用微进给装置。高精度微进给装置现在已经成为超精密机 床的一个关键装置[2]。

　　传统机械式微位移技术中,由于存在着较大的间隙和机械摩擦,以致使运动灵敏度和定位精度都很难达到很高的要求[3-4]。而柔性铰链式微位移机 构具有结构紧凑、体积小、无机械摩擦、无间隙、无爬行、机械谐振频率高、抗震动干扰能力强等优点,采用压电陶瓷驱动器进行驱动则很容易实现高分辨率的位移 [2-4]。近年来,国内外许多学者在这一方面做出了大量研究工作,如: Musa Jouaneh[5]、ChunyongYin[6]等利用柔性铰链设计了各种微定位机构,这些机构大多是由单、双平行四杆机构构成。

　　作者设计了一种以柔性铰链支撑,采用压电陶瓷驱动器驱动的单平行四边形微位移机构,作为微进给装置,用以实现工作台的精密定位。这种机构相对于双平行四边形机构结构更为紧凑,在相同作用力下的目标位移更大。利用有限元分析软件ANSYS验证设计的可行性。

　　1　微位移机构设计

　　1·1　微位移机构结构设计

　　微位移机构采用平行四边形单轴柔性铰链机构,其结构如图1所示,弹簧3为压电陶瓷驱动器2提供预紧力。该微位移机构安装在一个粗动工作台上,粗 动工作台由直线电机驱动,具有大范围、高速度的特点,但定位精度不够高,该微位移机构对粗动工作台进行定位误差补偿,以最终实现精密定位。压电陶瓷驱动器 1、2分别控制沿直线电机运动方向和垂直于直线电机运动方向的微位移。

　　1·2　单轴柔性铰链参数设计

　　单轴柔性铰链结构如图2所示,其杆部的截面为矩形,铰链由两个垂直于端面且对称分布的半圆柱面切割而成。图中R为单轴柔性铰链的切割半径, t为单轴柔性铰链的最小厚度, b为单轴柔性铰链的宽度, h为单轴柔性铰链的高度。

　　单轴柔性铰链设计中,最关键的是转角刚度K的设计计算[7]。在20世纪60年代, Paros和Weisbo-ro[8]就给出了柔性铰链原始设计方法和刚度计算公式,但由于公式的复杂性,应用有一定的局限。根据相关文献可知应用于微位 移机构的柔性铰链有两个显著的特点:一是位移(柔性铰链的变形)比较小;二是结构参数R一般比机构其他参量小。针对应用于微位移机构的柔性铰链的这些特 点,推导出了柔性铰链的简化设计方法[7,9]。由该方法得到柔性铰链的转角公式为: