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1、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
2、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
3、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11 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）
4、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）。图12 双轴柔性铰链1.2 柔性铰链的发展1.2.1 柔性铰链在国外的研究发展 在早期美国国家标准局设计了一体化的柔性铰链机构, 以联接X 射线干涉仪和光学干涉仪。它采用3 级杠杆, 从驱动点到工作台面的位移缩小比达到10001, 由此降低了对驱动元件的要求, 但柔性铰链机构较为复杂。他们还利用柔性铰链在几角秒的运动范围内达到1 微角秒的调节精度。为了加大X 射线干涉仪的测量范围，德国设计了如图1-3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200m。 图1-3对称结构的柔性
5、铰链传动机构70年代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。而此时的柔性铰链机构结构紧凑、运动精度高等特点，因此在精密机械、精密测量、微米和纳米技术等领域得到了广泛应用。 1978 年美国国家标准局开发了一个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1-4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 Lm 的工作范围内,以1 nm或更高的分辨率将物体线
6、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1-4压电驱动高精度工作台1.2.2 柔性铰链在国内外的最新研究发展 国内最新研究、设计了一种柔性压电式微定位机构。如图1-5所示，此机构采用压电陶瓷作为微位移驱动器, 柔性铰链为导向机构, 对丝杠螺母传动的精密机床工作台运位置进行自动补偿。通过实验验证, 在精密滚珠丝杠副驱动的超精密加工机床上, 增加柔性压电式微位移机构, 可使机床的定位精度由原来的1m提高0.01m，且由于柔性铰链的放大作用, 定位行程达到100m, 显著改善了机床的性能, 图1-5精密机床工作台微定位原理图能够满足精密、超精密定
7、位精度要求. 图1-5精密机床工作台微定位原理图目前提出了一种新颖的大行程柔性铰链及应用该种柔性铰链作为被动关节的大行程柔性铰链并联机器人。如图1-6所示，该系统能够在立方厘米级的工作空间内实现亚微米级的运动精度。如韩国高等科技大学的Ryu等人研制了三支链柔性铰链平面并联机器人， 驱动元件采用压电陶瓷, 而整体结构中所有被动关节均采用正圆弧型柔性铰链。由于压电陶瓷的末端输出行程有限，为得到并联结构末端点较大的工作空间，这里合理的安排了柔性铰链的位置，使得支链均构成了放大结构。 Ryu等在建立了整体结构的运动学逆解的基础上，进行运动学标定，并做了大量试验。 最终该系统在X、Y 两个方向的轴线位移
8、和Z方向的角位移可分别达41微米、47.8 微米和联机器人322.8角秒，而相应的运动分辨率可达7.6纳米、8.2纳米和0.057角秒。 图1-6大行程柔性铰链并联机器人第二章 总体方案设计2.1 总体设计思路 用柔性铰链为基础单元，设计出柔性铰链的微动工作台，使用压电陶瓷驱动器PZT（具有体积小、分辨率高、承载能力强等优点）来驱动，用电容式传感器来测量该微动工作台的位移变化量，使用A/D转换，从而使模拟量变为数字量，以便直观观察。 该微位移工作系统，由弹性精密微动工作台产生一个微位移量d，使用电容式传感器对其进行测量，产生一个交流信号。信号再通过处理电路由A/D把模拟信号转化数字信号送入51
9、单片机对其进行处理。并通过D/A转换使其成模拟信号，通过PID控制电路的运算，由于PID产生的信号十分微弱，用功率放大器对其进行一定程度的放大， 从而驱动电压陶瓷驱动器PZT工作柔性铰链的运动的范围为 100m，分辨率为0.1nm，其方案图如下：柔性铰链的微动工作台电容式传感器进行测量信号处理电路处理信号A/D转换51单片机D/A转换PID控制电路功率放大LED数值显示压电陶瓷驱动器PZT键盘输入控制 2-1方案简图2.2 功能模块简介压电陶瓷驱动器PZT：用来驱动平行四杆的微工作移动，从而使依附在铰链上的电容的间距产生变化；柔性铰链的微动工作台：平行四杆结构，当在AC杆上加一个力F时，由于四
10、个柔性铰链的形变，使AB杆在水平方向上产生一位移，而实现无摩擦、无间隙和高分辨率的微动； 电容式传感器电路：通过电容间距的变化，从而电路产生一个相应的电压量，实现位移量到电压量的转换，以便于直接观察与控制；信号处理电路：用检波电路与低通电路，滤除高次谐波和干扰信号，从而得到想要的直流的周期信号；A/D转换：把输出地直流模拟信号转换成离散的数字信号，实现模拟量到数字量的转换，并传入单片机处理；单片机：主要用来控制A/D、D/A转换，并把相应的电压量用数字显示出来，以便直接的观察了解；D/A转换：把单片机输出的数字量转化为模拟量，以便为后面的驱动电路提供一定的功率，使之能正常工作；PID控制电路：
11、改进反馈控制系统的性能，提高电路的稳定性、快速性无残差性的理想性能；功率放大：放大输入的功率，为下级负载提供足够的大的功率；总之，各功能模块的合理搭配，就实现了柔性铰链微动工作台的精密测量系统。第三章 柔性铰链微动台设计3.1 柔性铰链力学模型柔性铰链结构示意图如2-11，这里采用双圆弧柔性铰链其绕z轴的转动刚度为：式中：E：材料的弹性模量； t、h：铰链的厚度； b：铰链的高度； r:铰链的圆弧半径;图3-1柔性铰链结构示意图驱动力对柔性铰链产生一个绕z轴的力矩Mz，使铰链绕z轴偏转z角，而且：Mz在y方向产生位移y：3.2 微工作台设计3.2.1 平行四杆机构以柔性铰链为基本单元的弹性微动
12、工作台采用压电伸缩微式位移器驱动，其基本结构如图3-2所示。通过在一块板材上加工开孔和开缝，使圆弧切口处形成弹性支点（即柔性铰链）与剩余的部分成为统一体，从而组成平行四杆结构，当在AC杆上加一个力F时，由于四个柔性铰链的形变，使AB杆在水平方向上产生一位移，而实现无摩擦、无间隙和高分分辨率的微动。 图3-2 柔性铰链的微动工作台为增加弹性微动工作台的承载能力，并提高运动方向上的刚度，确保工作台具有良好的动态特性和抗干扰能力，在不增加工作台尺寸（即厚度）的前提下，应尽可能增大图3-2柔性铰链微动工作台模型柔性铰链细颈处的厚度，并减小圆弧切口的半径。在这种情况下，t往往大于或等于。设计柔性铰链时应
13、采用条件下的设计方法。 3.2.2 微动台的基本模型及设计计算公式如图3-2所示的微动工作台基本结构设计时进行下列假设：工作台运动时，仅在柔性铰链处产生弹性变形，其他部分可认为是刚体；. 柔性铰链只产生转角变形，无伸缩及其他变形。设四个柔性铰链的转角刚度K ，那么当四连杆机构在外力的作用下产生的平移，每个柔性铰链所储存的弹性能为： K2式中，=；K由查表得；外力F所做的功为： 由能量守恒定律：A=4A0，可推导出弹性微动工作台的刚度值基本设计计算公式： 3.2.3 弹性微动台的设计 在设计时，首先完成整个工作的零件图及装配草图，选择材料，计算出该工作台的质量。确定柔性铰链的基本参数和。柔性铰链
14、的基本参数，应满足下列工作要求： 柔性铰链内部应力要小于材料的许用应力。在微位移范围内，此条件一般都能满足。微位移器产生的最大位移输出时，微动台的弹性恢复力应小于微位移器的最大驱动力。微动台的刚性应尽可能大，使其具有良好的动态特性和抗干扰能力。根据微动工作台的结构原理，微动台的振动模型可以简化为一阶弹簧质量系统，故微动台的固有频率： (m弹性为动台部分的质量)本次设计中，微动工作台的尺寸范围为130mm100mm200mm，固有频率f=219Hz，刚度K= 0.35kg/m,t=2mm,R=1.5mm,m=1.8kg。第四章 硬件设计4.1 压电陶瓷微位移驱动器压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构压电驱动器，它具有结构紧凑、体积小、分辨率高、控制简单等优点。本次设计采用P-840 预负载开/闭环低压压电促动器（如图4-1），其特性如下：（1） 最大行程：180um；（2） 分辨率：小于1nm，最小可达0.05nm；（3） 刚度：最大可达1280N/um；（4） 工作温度范围：-40+150；（5） 最大推/拉里：可达30000N/3500N。图4-1 P-840 预负载开/闭环低压压电促
