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1、平面三自由度微动工作台的输入耦合分析王华张宪民欧阳高飞平面三自由度微动工作台的输入耦合分析122王华张宪民欧阳高飞1.汕头大学,汕头,5150632.华南理工大学,广州,510641摘要:基于线性分析理论,建立了柔性铰链式平面三自由度精密定位平台的分析模型;提出了一种计算该类工作台输入耦合的线性求解方法,该方法具有求解简便和计算量小等优点;针对微动工作平台的特点建立了有限元分析模型,通过有限元仿真,验证了线性法的正确性;讨论了有关参数对工作台输入耦合的影响程度,给出了对输入耦合有较大影响
2、的设计参数。研究结果对设计低耦合输入微动工作平台具有指导意义。关键词:柔性铰链;微动工作台;输入耦合;有限元中图分类号:TH112.5文章编号:1004-132Ⅹ(2005)05-0337-04CoupledInputAnalysisofaPlanar3-DOFMicro-positioningStage122WangHuaZhangXianminOuyangGaofei1.ShantouUniversity,Shantou,5150632.SouthChinaUniversityofTechno
3、logy,Guangzhou,510641Abstract:Theanalysismodelofa3-DOFmicro-positioningstagewithflexurehingesisestablishedbasedonthelinearizationtheory.Alinearschememethodwaspresentedtocalculatethecoupledinputs,whichhasmanyadvantagessuchassimplificationandsmallamountofc
4、alculation.Accordingtothecharacteristicsofthestage,afiniteelementanalysismodelwasdeveloped.Thecorrectnessofthelinearanalysismethodwasvalidatedbyusingthefiniteelementsimulationtechnique.Finally,theinfluencesofthedesignparameterstothecoupledinputsweredisc
5、ussed,andthekeyparametersareidentified,whichisimportanttodesignalow-coupledinputsstage.Keywords:micro-positioningstages;coupledinput;flexurehinge;finiteelement0引言析的文献还很少见。本文以文献[4]提出的线性生物工程显微操作、医学显微外科手术、光纤分析理论为基础,推导出系统的输入耦合方程,并对接、大规模集成电路以及未来进行原子操作的对输入耦合的影
6、响因素进行了分析和探讨,为设系统均离不开具有亚微米甚至纳米定位分辨率的计低耦合的精密工作台提供了理论依据。多自由度微动工作台。微动工作台通常采用压电1微动工作台的结构元件作为驱动装置,柔性铰链机构作为传动装置。然而,在多输入系统中,当其中一个输入端有位移图1是笔者设计的压电陶瓷(PZT)驱动的输入时,由于柔性铰链发生弹性形变,会使其他各输入端产生一定量的位移变化,其位移比值即为输入耦合,它的大小表征系统各输入量之间的相互影响程度。输入耦合的存在使工作台的控制难度和精度都受到一定程度的影响,因此设计时要求输
7、入耦合尽可能小,以降低各输入量之间的相互干涉,从而使工作台控制难度降低,以达到提高设计精度的目的。目前,在设计精密定位工作台时,很多设计者[1~3]都提到输入耦合对工作台精度的影响,但详图1微动工作台简图细地对柔性铰链式多输入工作台进行输入耦合分收稿日期:2004-05-18柔性铰链式XYZ平面三自由度微动工作台结构基金项目:国家自然科学基金资助项目(50375051);教育部科学简图。该工作台采用平面整体式结构,整个工作台技术资助重点项目(104149);广东省自然科学基金重点项目是在一块金属板上由线
8、切割机切割而成的,它具(036548);高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助项目有结构紧凑、低摩擦、无间隙以及各部分热膨胀系377中国机械工程第16卷第5期2005年3月上半月数相同等优点。如图1所示,三个压电陶瓷驱动器和对应的传动机构沿输出工作台中心旋转120!对称分布,其输出位移经过两级位移放大机构放大后,通过传动机构驱动输出工作台实现平面运动。2输入耦合的计算图3两级位移放大机构2.1柔性铰链
