柔性铰链微动机构的分析与设计

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1、七、柔性铰链微动机构的分析与设计一.实验目的1.认识柔性四连杆机构的形貌2.了解柔性铰链工作台的工作原理及应用前景3.掌握柔性铰链的分析与设计方法4.掌握微位移工作台的分析与设计方法二.柔性铰链微动机构的用途与发展前景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。人们在经过对各类型的弹性支承的实验探索后，才逐步开发出体积小无机械摩擦、无间隙的柔性铰链。随后，柔性铰链立即被广泛地用于陀螺仪、加速度计、精密天平、导弹控制喷嘴形波导管天线等仪器仪表中，并获得了前所未有的高精度和稳

2、定性。如日本工业技术院计量研究所，利用柔性铰链原理研制的角度微调装置，在3分的角度范围内，达到了1000万分之一度的稳定分辨率。近年来，柔性铰链又在精密位移工作台中得到了实用。柔性铰链微位移机构具有较高的位移分辨率，再配合压电陶瓷驱动器可实现微小位移，可适合各种介质环境工作。微位移技术直接影响到微电子技术等高精度工业的发展，如微电子技术随着集成度的提高，线条越来越微细化，与之相对应的工艺设备：光刻机、电子束和x射线曝光机等，其定位精度要求为线宽的1／3～1／5，即亚微米甚至纳米级的精度，这就要求精密工作台具备相应的技术水准，柔性铰链是关键技术之一。

3、三.柔性铰链工作台的结构a)单柔性四连杆b)双柔性四连杆图7-1单、双柔性四杆机构变形原理图为保证位移方向的直线性，柔性工作台一般由平行四杆结构的铰链组成。单柔性平行四杆机构沿一个移动方向产生位移时，在其垂直方向同时产生一个交叉耦合位移，参见图一中的Δ，且随柔性铰链弯曲偏转角的增大而增加，而双柔性平行四杆机构（图7-1b），由于结构对称，当沿一个方向受力产生位移时，两侧铰链均产生交叉耦合位移。即：如果加工完全对称，双柔性平行四杆机构能产生严格的直线运动，从原理上克服了单柔性平行四杆机构易产生交叉耦合位移的缺陷，是超精密定位系统的首选结构，双柔性工作

4、台结构参见图7-2。二维柔性工作台通过柔性铰链的弯曲变形实现范围为几十微米的微位移运动，因此要求选择机械性能和弹性性能良好、热导率高以及热膨胀率较小的材料，做工作台毛坯。图7-2双柔性四杆机构工作台结构简图四.柔性铰链的基本工作原理与设计柔性铰链是实现小范围偏转产生微位移的结构，它具有高精度、高稳定性、无间隙和无机械摩擦等特点，并在近十几年来广泛用于微定位系统中。柔性铰链是一种圆弧切口结构，由柔性铰链这种弹性导轨可组成新型的微定位系统，利用其受力弯曲产生的有限角位移，可以达到精密定位的目的；柔性铰链可以设计成多种形式进行饶轴的复杂角运动或构成柔性系

5、统形成直线运动。柔性铰链的基本图形如图7-3所示。图7-3柔性铰链结构组成柔性工作系统主要的基本形变是在Mz作用下绕Z轴的转动，其转角αz及转角刚度K的基本公式为：αzdyM(x)zα==dx（7-1）z∫dxxEI(x)zMrcosθz=∫3dθθE2(b3/)[r+(t)2/−rcosθ]MzEbKα==（7-2）zα12βzrcosθ式中β=∫3dθθ[8r+(t/)2−rcosθ]同时，在柔性铰链组成柔性工作台系统时受到约束，将会有沿x轴方向的伸缩，即F存在，而且由于柔性系统加工不对称或存在自重等原因，将会存在M作xy用，这样会产生沿x、y

6、、z方向的线位移，其基本形变公式为：Fx作用下产生的沿X轴位移Δx为：FdxFrcosθxxΔx=∫∫=dθ（7-3）xEA(x)θ2Eb[r+(t)2/−rcosθ]M作用下产生的沿Y轴位移Δy为：zdyΔy=∫∫dx=αz(θ)rcosθ（7-4）xdxθM作用下产生的沿Z轴位移Δz为：ydzΔz=dx=α(θ)rcosθ（7-5）∫∫yxdxθ这些形变公式为柔性铰链组成柔性工作台系统进行微位移的理论基础。简化设计方法：上述的设计方法比较复杂，对用于微位移机构的柔性铰链进行分析，发现具有两个明显的特点，一是位移量（即柔性铰链的变形）比较小，一般

7、是几十微米，二是结构参数在一般情况下取t≥R。根据这两个特点可推导出简化设计方法。柔性铰链转角刚度的计算简图如图四所示，柔性铰链的转角变形实际上是由许多微断弯曲变形累积的结果，设第i个微段产生Δθ的转角和Δy的挠度，则整个柔ii性铰链的转角θ和挠度y为nθ=∑Δθi（7-6）i=1ny=∑Δyi（7-7）i=1在研究微段变形时，可以认为微段是长度为dx的等截面矩形梁，而且作用于微段两侧面的弯矩也是相同的，根据《材料力学》可以得到柔性铰链中性面的曲率半径公式1M(x)=（7-8）ρEJ(x)式中E—材料的弹性模量；J(x)—截面对中性轴的惯性矩；M(

8、x)—作用于微段dx上的弯矩。因为t≥R，柔性铰链的全长2R，较结构中其它尺寸小得多，所以可以认为柔性铰链上的弯矩变化不大