簡述柔性鉸鏈微精密位移平臺(tái)性能仿真

添加時(shí)間：2020-6-9 8:58:01 作者：浙江金科機(jī)械傳動(dòng)有限公司

摘要： 本文從柔性鉸鏈微位移平臺(tái)的背景出發(fā)，介紹了柔性鉸鏈的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)以及特點(diǎn)，以一維微位移工作平臺(tái)為例，用Inventor建立其模型。并用ANSYS對其進(jìn)行位移與應(yīng)力仿真，得出輸入與輸出相應(yīng)關(guān)系，并在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器行程范圍內(nèi)找到線性響應(yīng)區(qū)域.
關(guān)鍵詞 ： 精密位移平臺(tái)   手動(dòng)位移平臺(tái)   可調(diào)位移平臺(tái)   XY精密平臺(tái)
1  背景介紹  
  精密位移平臺(tái)是近年來發(fā)展起來的一種新型機(jī)械傳動(dòng)和支撐機(jī)構(gòu)，用于繞軸作復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的有限角位移。也可理解為利用其結(jié)構(gòu)薄弱部分的彈性變形可實(shí)現(xiàn)類似普通鉸鏈的運(yùn)動(dòng)傳遞,極大地拓展了微精密位移平臺(tái)驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域。  
  隨著納米技術(shù)的興起和飛速發(fā)展，基于精密位移平臺(tái)—壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的納米級(jí)微定位技術(shù)已成為能束加工、超精密加工、微操作系統(tǒng)等前沿技術(shù)的基礎(chǔ)支持技術(shù)。利用柔性鉸鏈的眾多優(yōu)點(diǎn)，易實(shí)現(xiàn)亞微米甚至納米級(jí)的精度。因此，研究柔性鉸鏈對于納米技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與廣泛應(yīng)用非常有意義。  
  近年來，采用壓電元件驅(qū)動(dòng)，精密位移平臺(tái)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)精密定位有著眾多的應(yīng)用，如微動(dòng)工作臺(tái)，引激光焊接、光學(xué)自動(dòng)聚焦系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。納米定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)納米加工和納米測量的基礎(chǔ)，精密位移平臺(tái)在該領(lǐng)域也有著極其重要的應(yīng)用。就目前來看，精密位移平臺(tái)—壓電致動(dòng)微動(dòng)工作臺(tái)的研究將占主導(dǎo)地位。

2   精密位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)  
   精密位移平臺(tái)是通過彈性形變來實(shí)現(xiàn)鉸鏈運(yùn)動(dòng)。施加的彈性變形力會(huì)導(dǎo)致鉸鏈中心點(diǎn)偏移其幾何中心，從而影響柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)精度。精密位移平臺(tái)用于繞軸做復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的有限角位移，它有很多種結(jié)構(gòu)，最普通的形式是繞一個(gè)軸彈性彎曲。如圖1所示，組成柔性工作系統(tǒng)主要的基本形變是在Mz作用下繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生相應(yīng)轉(zhuǎn)角以及在y方向上的位移dy。與此同時(shí)在x方向上也產(chǎn)生相應(yīng)的收縮位移dx。通常情況下dx相對于dy是一個(gè)小量，即運(yùn)動(dòng)的主位移為dy。
  理想精密位移平臺(tái)應(yīng)可以繞其中心點(diǎn)自由旋轉(zhuǎn)，但對于真實(shí)的柔性鉸鏈，要讓它作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就必須施加變形力。為了定量的考察各個(gè)精密位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)精度，通常選用D點(diǎn)的位移來表示其運(yùn)動(dòng)范圍，而用中心點(diǎn)C的偏移量來表是其運(yùn)動(dòng)精度。      
  各種微動(dòng)方面的運(yùn)用需求要求能實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)微動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)不僅要高分辨率，也要結(jié)構(gòu)微小型化。精密位移平臺(tái)機(jī)構(gòu)具有較高的位移分辨率，再配合壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)微小位移，可適合各種介質(zhì)環(huán)境工作。
  目前運(yùn)用于壓電驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)微動(dòng)的精密位移平臺(tái)主要有：直圓型、橢圓型、直角型、拋物線型、雙割線型。所以這里設(shè)計(jì)中柔性鉸鏈移動(dòng)副以及其伴生運(yùn)動(dòng)的抑制為主要研究對象。柔性鉸鏈分析是基于小變形懸臂梁假設(shè)，變形為彈性變形，彎曲變形是由力和彎矩產(chǎn)生的。理想情況下，柔性鉸鏈繞其中心轉(zhuǎn)動(dòng)，中心軸的位置應(yīng)該不變，實(shí)際上彎矩和拉力的作用下，柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)中心會(huì)產(chǎn)生偏移，從而影響了鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)精度。根據(jù)材料力學(xué)卡式第二定理，鉸鏈回轉(zhuǎn)中心的位移x2，y2，
  柔度是指構(gòu)件在軸向受力的情況下，沿垂直軸向方向發(fā)生形變的大小。柔度矩陣中C33為力Fx1在中心點(diǎn)x 軸方向上的柔度。根據(jù)微動(dòng)平臺(tái)的要求，柔性鉸鏈伴生運(yùn)動(dòng)應(yīng)該越小越好，由上面C33的定義可知，C33越小柔性鉸鏈正在x 軸方向上的變形越小，即鉸鏈的伴生運(yùn)動(dòng)越小。在預(yù)定設(shè)計(jì)參數(shù)的情況下，直圓鉸鏈的C33小，所以直圓柔性鉸鏈x 軸的伴生運(yùn)動(dòng)比較小，適合運(yùn)用于微動(dòng)平臺(tái)。