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1、第一章 绪论51.1 国内外现状和发展趋势51.2 柔性铰链研究意义81.3 毕业设计任务第二章 柔性铰链微动工作台测量与控制系统的总体设计92.1 总体方案设计2.2 柔性铰链单元工作原理92.3 平行四杆微动工作台设计与分析10第三章 微动工作台测量系统设计12第四章 微动工作台控制系统设计144.1传感器基本工作原理144.2传感器转换电路174.3 MCS-51单片机194.4 18位AD7674204.5 18位DAC9881224.6 PID控制器254.7 功率运算放大电路284.8 压电陶瓷驱动器29315.1 主程序315.2 A/D转换子程序325.3 矩阵键盘输入子程序3
2、45.4 显示子程序355.5 数据运算子程序365.6 D/A转换子程序36第五章 总结与展望37参考文献38致谢39摘 要柔性铰链以其无摩擦、无间隙、运动灵活、敏度高的优点，在各个领域得到广泛应用，尤其在纳米技术领域中有着广泛的应用前景，柔性铰链是实现纳米级微运动的关键技术，其运动位移的测量与控制是实现纳米运动的核心技术。本次毕业设计采用柔性铰链机构和电容传感器，设计了一套微动工作台的测量与控制系统。用我们所学知识，使之成为一套精密测量系统，实现高效率，高精度，高稳定性，低误差的测量。在该系统中，由柔性铰链构成的平行四杆机构产生一个微位移量。而由于被测位移量为纳米级，从而采用电容式传感器进
3、行测量。以单片机为核心对信号进行处理，并用键盘输入预定值并用LED数码管显示。为了更好地减小误差，提高系统的精度，运用PID算法结合压电陶瓷驱动来实现对该工作台的精密控制。运用解析法，从理论上分析了柔性铰链工作台的。描述了电容传感器的测量原理，设计了。最后，对PID。关键词：柔性铰链，电容式传感器，传感器处理电路，MCS-51单片机，压电陶瓷Abstract Flexible hinge with its no friction, no clearance, sports flexible, the advantage of high sensitivity, widely used in v
4、arious fields. Especially in the field of nanometer technology has a wide application prospect, flexible hinge nanoscale micro motion is to realize the key technology, their sports displacement measurement and control is to realize the core technology of the nanometer movement. This paper based on f
5、lexible hinge, design a set of budge workbench measurement and control systems. With our knowledge learnt, make it become a set of precision measuring system, realize high efficiency, high precision, high stability, low error of measurement. In this system, composed of by flexible hinge parallel fou
6、r-bar produce a micro displacement quantity. And for being measured displacement, thus using nanoscale capacitive sensor measurements. Based on singlechip on signal processing, and displays the results LED digital tube. In order to reduce errors with good precision, and improve the system, using PID
7、 algorithm combined with piezoelectric driven to realize the precise control of workbench. The theoretical and experimental values unifies, but to prove that this system can realize movement range, resolution requirements. Keywords: Flexible hinge, capacitive sensor, sensor processing circuit, MCS -
8、 51 SCM, piezoelectric ceramics 浙江理工大学本科毕业设计第一章 绪论六十年代前后， 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，不仅提出了高分辨力的要求，而且还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的试验探索后，才逐步开发出体积很小，可做到无机械摩擦、无间隙的柔性铰链1,柔性铰链立即被广泛地用于陀螺仪加速度计、精密天平等仪器仪表中。1.1 国内外现状和发展趋势 柔性铰链定义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，用于绕轴作复杂运动的有限角位移。也可理解为利用其结构薄弱部分的弹性变形可实现类似普通铰链的运动传
9、递。柔性铰链具有无摩擦、无间隙、运动灵活、敏度高的特点，常用来作为位移放大器，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。尤其在纳米技术领域中有着更好的应用前景，柔性铰链是实现纳米级微运动的关键技术，其运动位移的测量与控制是实现纳米运动的核心技术。 柔性铰链的类型目前柔性铰链的类型主要有单轴柔性铰链，双轴柔性铰链两种单轴柔性铰链截面形状有圆形和矩形的两种，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的单轴柔性铰链组成的（图1-2（），对于大部分应用，这种设计的缺点是图1-2单轴柔性铰链两个轴没有交叉，具有交叉轴的最简单的双轴柔性铰链是把颈部作成圆
10、杆状（图1-2（），这种设计简单且加工容易，但它的截面面积比较小，因此纵向强度比图1-2（）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（）的结构。图 1-2 双轴柔性铰链1.1.3 柔性铰链国内外现状就现阶段的发展趋势，柔性铰链的应用主要是与压电致动相结合，形成微位移机构。最早，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2。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压电驱动高精度工作台真空中工作。如图1-3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
11、在50 Lm 的工作范围内, 以1 nm 或更高的分辨率将物体线性定位。图1-3 压电驱动高精密工作台柔性铰链技术在精密联接工艺也有应用3,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。因此设计了如图1-4所示运动的微动台, 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200 Lm, 垂直刚度为610 N/Lm, 频响为364 Hz。图1-4 垂直运动的微工作台我国如今柔性铰链代表性产品如哈尔滨芯明天科技 以柔性铰链原理开发的XM-850六维并联微动台，如图1-5所示，运动方向最大推力为1000N，最
12、大负载为100kg，可内置位移传感器，方便实现闭环控制，闭环重复定位精度为纳米级，控制方式：“压电陶瓷驱动电源”或“XE-50与XE-501模块化压电陶瓷控制系统”。图1-5 纳米级精密定位工作台1.1.4 柔性铰链研究趋势近年来，采用压电元件驱动，柔性铰链机构传动实现精密定位有着众多的应用，如微动工作台，引激光焊接、光学自动聚焦系统等众多领域。纳米定位技术是实现纳米加工和纳米测量的基础，柔性铰链在该领域也有着极其重要的应用。就目前来看，柔性铰链压电致动微动工作台的研究将占主导地位。随着机器人领域的发展4，其运动精度要求达到亚微米级，显然以前的技术无法很好满足此要求。柔性铰链技术的发展成熟很好
13、地解决了这个问题，大行程柔性铰链并联机器人的研究成为机器人研究的热门课题。1.2 柔性铰链研究意义随着纳米技术的兴起和飞速发展，基于柔性铰链压电陶瓷驱动的纳米级微定位技术已成为能束加工、超精密加工、微操作系统等前沿技术的基础支持技术。利用柔性铰链的众多优点，易实现亚微米甚至纳米级的精度。因此，研究柔性铰链对于纳米技术的进一步发展与广泛应用非常有意义。第二章 柔性铰链微动工作台设计2.1 柔性铰链单元工作原理分析目前已有的柔性铰链机构原理，柔性铰链的基本图形如图2-1所图 2-1组成柔性工作系统主要的基本形变是在作用下绕Z轴的转动，其转角及转交刚度的基本公式为：式中 ； 柔性铰链的转角；E材料的
14、弹性模量，；B厚度，mm;2.2 平行四杆微动工作台设计本次设计的要求微动工作台应满足下列技术指标：运动范围10；分辨率1。根据上述柔性铰链5-6的特点，以柔性铰链为基本单元的弹性微动工作台的设计方案，采用电致伸缩微位移器驱动可以满足上述技术指标的要求。其基本结构如图2-2所示。通过在一块板材上加工孔和开缝，使圆弧切口处形成弹性支点（即柔性铰链）与剩余的部分成为一体，而组成平行四连杆机构，当在杆上加一力时，由于个柔性铰链的弹性变形，使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。图2-2柔性铰链微动工作台模型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
15、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2-2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。设计柔性铰链时应采用条件下的设计方法。微动台的基本模型及设计计算公式如图2-2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为，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式中，外力所做的功为, 由能量守恒定律：，可推导出弹性微动工作台的刚度值基本设计计算公式：（1-1）(3)弹性微动工作台的设计在设计时，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。根据确定的刚度，查表1。柔性铰链的基本参数，应满足下列工作要求：l 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。l 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。l 微动台的刚性应尽可能大，使
