基于动态特性的复合桥式微动平台优化设计-论文.pdf

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1、2014年1月农业机械学报第45卷第1期doi：10．6041／j．issn．1000—1298．2014．01．047基于动态特性的复合桥式微动平台优化设计木胡俊峰徐贵阳郝亚洲(江西理工大学机电工程学院，赣州341000)摘要：为了实现复合桥式微动平台的精确运动，提出一种基于其动态特性的优化模型并对其结构参数进行优化。采用虚功原理推导出平台的运动、刚度和强度特性模型。采用伪刚体法和Lagrange方程建立平台的动态特性模型。建立的所有模型是以结构参数为变量的封闭形式，为平台优化设计提供理论模型。由理论模型与有限元分析的结果比较分析可知，两者

2、所得的结果误差范围为6．0％一9．3％，表明所推导出的特性模型的正确性和精确性。根据固有频率和放大倍数封闭形式的模型，分析其对结构参数的灵敏度，由此选出对平台动态特性影响较大的优化设计变量。提出一种以平台的动态特性固有频率和放大倍数为目标，铰链强度、输入刚度和几何尺寸为约束的优化模型。结果表明优化后的平台能获得更大的固有频率和放大倍数，说明方案能满足其优化设计要求。关键词：柔顺机构复合桥式结构微动平台动态特性优化设计中图分类号：TH703；TP274文献标识码：A文章编号：1000—1298(2014)01—0306—07应用显得尤为重要。引

3、言本文以一种复合桥式柔顺微动平台为研究对目前，微纳米级微动工作台在精密加工与精密象，综合考虑放大倍数、输入刚度、强度等静力学特测量、微电子工程、生物工程、纳米科学与技术等领性，同时考虑系统的固有频率动力学特性，分别建立域的作用已越来越重要，应用越来越广泛。柔顺机其特性模型，并基于该模型建立基于动力特性的优构是以柔性铰链代替传统机构运动关节，采用柔顺化模型和进行结构参数优化设计。元件的弹性变形传递或转换运动和力的一种新型免1复合桥式微动平台静态特性装配机构，具有无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高和加工简单等优点，特别适用于精密微动领域的传复合桥式

4、微动平台如图1所示，它是完全对称动机构卜“]。桥式结构。图1中，驱动端为压电陶瓷驱动器作用桥式柔顺机构具有拓扑结构简单、应力分布均端，它为机构的输入。图2为平台的伪刚体模型，平匀以及固有频率高等特点。因此，它更适合压电陶台可以利用桥式结构特点放大输入位移。根据瓷直接耦合柔性机构的应用，如尺蠖驱动器的箝位图2所示的伪刚体模型，可以计算出机构的自由度机构和中间驱动机构。Lobontiu利用卡氏第二定理为推导了桥式柔性放大机构刚度的闭环解析公式，并O=3(n一1)一2d=3×(12—1)一2×16=1(1)研究了相关几何参数对刚度的影响趋势。Kim

5、利式中n——构件数d——关节数用同样的方法对空间桥式柔性放大机构的变形进行1．1平台运动特性分析。上述研究只是对其进行静力学特性分析，平台的运动特性表示输出位移与输入位移之间但柔顺机构是构成精密驱动定位装置的关键部件，的关系。如图1和图2所示，由于结构的完全对称其性能直接决定着机构整体的表现，对其要求越来性，各柔性铰链具有相同几何参数，因此可对桥式柔越高，不仅要具有微纳米级的定位精度，而且要有较顺机构的1／4进行分析，图3为复合桥式机构的大的运动行程，同时，还要具有较大的强度及快速的1／4模型。响应等。然而这些性能相互矛盾，所以寻求综合满假设

6、平台只在柔性铰链部分弹性变形，其他部足这些性能的优化模型和优化参数设计对微动平台分均为刚体。鉴于正圆形柔性铰链的良好特性，选收稿日期：2叭3—01一O9修回日期：2013一O2—22国家自然科学基金资助项目(51265016)、江西省教育厅科技资助项目(GJJ12358)、江西省科学基金资助项目(20122BAB216029)和江西理工大学科研基金资助项目(jxxjl2050)作者简介：胡俊峰，讲师，主要从事柔顺机构及振动控制研究，E-mail：hjfsuper@126．eom第1期胡俊峰等：基于动态特性的复合桥式微动平台优化设计307和沿轴

7、向的柔度C和C分别表示为1c=。，{【[【y+。(+卢)]J~丽+。．arctan())(2)cz=[一2arcta“i=：+rctan图1复合桥式微动平台原理图(＼√卢_二_)川]Fig．1Schematicdiagramofcompoundbridge—type(3)micro—platform其中卢=／(2r)y=1+式中E——弹性模量6——柔性铰链宽度r——柔性铰链切口半径——柔性铰链切口厚度0囊霍羹动副／3、——无量纲系数设K和K分别表示柔性铰链的转动和轴向变形刚度，根据刚度与柔度的关系，则柔性铰链的刚度,-3毳毳冀莲箍可表示为rK

8、=1／C{，‘(4)【K=1／C在分析输出位移与输入位移之间的关系，即桥图2复合桥式微动平台伪刚体模型式机构的放大倍数时，由于在此仅考虑柔性铰链的Fig．2Pseu