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1、中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn第卷增刊机械工程学报年月呵二维微动工作台分析及其优化设计方法’荣伟彬马立孙立宁谢晖陈立国哈尔滨工业大学机器人研究所哈尔滨摘要设计了,,一种压电陶瓷驱动的二维微动工作台采用结构力学理论建立了工作台的简化模型并推导出工作台沿、方向刚度计算表达式。将工作台简化为自由度弹簧一质点系统,得出其前二阶固有频率计算表达式。、,通过微动工作台固有频率及沿少方向刚度的试验测试验证了解析法和有限元法用于微动工作台设计分析的可行性。采用有限元法,研究了微动工作台的直角平板柔性铰链特征参数
2、对微动工作台性能的影响。有限元分析结果表明当平板柔性铰链长度较小或铰链宽度较大时,其刚度、频率及驱动力较高,然而铰链根部应力集中也较严重。通过改变柔性铰链的特征参数,可达到控制和优化工作台固有频率、输出位移、应力分布及驱动力响应的目的,并提出一种优化设计微动工作台柔性铰链的简易方法。关键词柔性铰链压电驱动微动工作台有限元法中图分类号实现精密定位,但由于摩擦和回程间隙的存在,机前言械传动系统难以实现光学精密调整要求。所设计的自由度微动工作台利用压电陶瓷驱动,通过直角一,微系统制造、光学调整、超精密加工、微外科平板柔性铰链实现微定
3、位操作微动工作台模型、,手术生物细胞操作等领域对精密定位精度的要求如图所示其直角平板柔性铰链机构模型可简化,。。已从微米级到亚微米级甚至达到纳米级微定位为图形式〔’。技术已成为精密操作工程领域的关键技术之一一多自由度微动,工作台以柔性铰链为运动副它具有结构紧凑、体积小、无机械摩擦、无间隙、定位分辨率高的优点。微动工作台设计时应保证柔性铰链在运动方向上具有足够柔度以满足变形的需要,使得柔性铰链的应力分布尽可能合理,因此工作台柔性铰链的分析和设计显得尤为重要。柔性铰链的基本性能主要包括刚度、精度及动力特性等几个方面,其中刚度性能直
4、接反映了柔性铰链抵抗外载的能力,是运动副的主要性能参数。二维微动工作台基于结构力学理论对采用压电陶瓷驱动的二维微动,工作台直角平板柔性铰链进行理论建模得出其刚度及前二阶固有频率的计算表达式。设计了一套用于光学调整的二维微动工作台,通过静态、动态试验对有限元程序及理论分析结果进行了验证,并采用有限元程序对柔性铰链特征参数的影响展开研究。柔性铰链机构微动工作台设计及简化分析图二维微动工作台模型,传统的定位系统采用电动机驱动经机械传动微动工作台的刚度分析微动,工作台中部尺寸远大于铰链宽度图。,国家计资助项目。收到初稿,可将中部视为刚
5、体由于结构的对称性中部只发生沿着或轴平动而不转动,直角平板柔性铰链收到修改稿转载中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn年月荣伟彬等二维微动工作台分析及其优化设计方法可简化为如图所示。式中—载荷单独作用时产生的弯矩厉方向单位力作用于端产生的弯矩、乙人一一吃一兀丑﹃一一卜一一价叼一一形一‘︸—,门月二石曰尹沪勺︸将惯性矩为铰链厚度代入式中可得、工斗,︼‘里二兰五减则微动工作台方向刚度二二二二一、刃向驱动时,取直角平板进行受力分析,如图,月所示直角平板刀为具有个支反力的二次超静定问题。解除端的链杆约束,得到基
6、本静定体系如图所示,在基本静定体系上分别作用驱动图柔性铰链简化模型力凡、广义未,。知力只和凡方向如图所示,,向驱动时取直角平板进行受力分析同理,由力法方程分别解得广义未知力,如图所示直角平板为具有个支反力的月凡和凡凡。此时,二次超静定位。,二次超静定问题解除端的链杆约束得到基本移求解可等效为图所示外荷载作用下静定体系,静定体系如图所示在基本静定体系上分别作用。,、,的位移求解问题利用莫尔积分式可导出端沿驱动力广义未知力月和凡方向如图所,方向上的位移示列出力法方程为、‘一凡若只尸一凡一尸成名十成凡“一列卿马里一一丁去涅热入热乓』
7、二——式中乓广义柔性系数表示基本静定体系在将惯性矩代入式中可得—,乓上的广义单位力单独作用时,、方向里端沿月方向上的广义位移则微动工作台方向刚度基本静定体系在荷载单独作用—,时、,叫端沿汽方向上的广义位移北二一一,二一厂采用图形互乘法得到广义位移和柔性系数分别为微动工作台的固有频率分析一列旦丝整个微动工作台系统可简化成具有两个输出位移,一个质点的弹簧一质点系统,由系统运动微一、。,尸。分方程的特征值可导出系统的二阶固有频率关乃成氏—轰二一人若、一女得女二一八器靡一会一会式中微动台材料弹性模量福—靡铰链断面惯性矩—式中微动工作台
8、运动部分的质量铰链长度—由式—分别解得广义未知力汽二和微动工作台方向刚度—凡。此时,二次超静定位移求解可等效为称—微动工作台方向刚度图所示外荷载作用下静定体系的位移求解问题。,可导微动工作台试验及有限元分析利用莫尔积分式出点端沿方向上的位移一山里二竺旦二竺二兰,人钊业卫压电陶
