柔性铰链测量与控制开题报告

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1、浙江理工大学本科毕业设计（论文）开题报告班级姓名课题名称柔性铰链微运动的测量与控制方法开题报告（包括选题意义、研究的基本内容与拟解决的主要问题、总体研究思路与可行性分析，预期研究成果、研究工作计划等内容，非艺术类不少于3000字）目录1选题的背景与意义1.1国内外现状和发展趋势1.2柔性铰链研究意义2研究的基本内容与主要任务与目标2.1基本内容2.2主要任务与目的3研究方案、可行性分析及预期研究成果3.1研究思路方案3.2可行性分析3.3预期研究成果4研究工作计划参考文献（开题报告全文附后）成绩：答辩意见（从选题、任务工作量、质量预期、可行性等几个方

2、面）答辩组长签名：年月日系主任审核意见签名：年月日柔性铰链微运动的测量与控制方法1选题的背景与意义六十年代前后,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，不仅提出了高分辨力的要求，而且还对其尺寸和体积提出了微型化的要求，人们在经过对各种类型的弹性支承的试验探索后，才逐步开发出体积很小，可做到无机械摩擦、无间隙的柔性铰链[1],柔性铰链立即被广泛地用于陀螺仪加速度计、精密天平等仪器仪表中。1.1国内外现状和发展趋势1.1.1柔性铰链定义柔性铰链是近年来发展起来的一种新型机械传动和支撑机构，用于绕轴作复杂运动的有限角位移。也可理解为利用其

3、结构薄弱部分的弹性变形可实现类似普通铰链的运动传递。柔性铰链具有无摩擦、无间隙、运动灵活、敏度高的特点，常用来作为位移放大器，可将位移放大到数百微米，极大地拓展了微位移驱动器的应用范围和应用领域。尤其在纳米技术领域中有着更好的应用前景，柔性铰链是实现纳米级微运动的关键技术，其运动位移的测量与控制是实现纳米运动的核心技术。1.1.2柔性铰链的类型目前柔性铰链的类型主要有单轴柔性铰链，双轴柔性铰链两种单轴柔性铰链截面形状有圆形和矩形的两种，如图1所示。图1单轴柔性铰链双轴柔性铰链是由两个互成90°的单轴柔性铰链组成的（图2（ａ）），对于大部分应用，这种设

4、计的缺点是图1-2单轴柔性铰链两个轴没有交叉，具有交叉轴的最简单的双轴柔性铰链是把颈部作成圆杆状（图2（ｂ）），这种设计简单且加工容易，但它的截面面积比较小，因此纵向强度比图2（ａ）弱得多。需要垂直交叉和沿纵向轴高强度的双轴柔性铰链，可采用图2（ｃ）的结构。图2双轴柔性铰链1.1.3柔性铰链国内外现状就现阶段的发展趋势，柔性铰链的应用主要是与压电致动相结合，形成微位移机构。最早，美国国家标准局开发了一个微定位工作台并用于光掩模的线宽测量[2-4]。为了能在光学和电子显微镜中使用,要求工作台结构紧凑并能在压电驱动高精度工作台真空中工作。如图3所示,工作

5、台采用了压电元件驱动,柔性铰链机构进行位移放大的方案。压电元件在低频工作时的能量耗散为零,因此工作台没有内部热源。工作台可在50Lm的工作范围内,以1nm或更高的分辨率将物体线性定位。图3压电驱动高精密工作台柔性铰链技术在精密联接工艺也有应用,如激光焊接中,需要较大运动范围、结构紧凑、高刚度、垂直运动的微动台。因此设计了如图4所示运动的微动台[5-6],水平内置式压电块推动杆1和杆2,通过对称的柔性铰链放大机构将压电块位移转化为台面的垂直运动。该微动台的运动范围为200Lm,垂直刚度为610N/Lm,频响为364Hz。图4垂直运动的微工作台我国如今柔

6、性铰链代表性产品如哈尔滨芯明天科技有限公司以柔性铰链原理开发的XM-850六维并联微动台，如图5所示，运动方向最大推力为1000N，最大负载为100kg，可内置位移传感器，方便实现闭环控制，闭环重复定位精度为纳米级，控制方式：“压电陶瓷驱动电源”或“XE-50与XE-501模块化压电陶瓷控制系统”。图5纳米级精密定位工作台1.1.4柔性铰链研究趋势近年来，采用压电元件驱动，柔性铰链机构传动实现精密定位有着众多的应用，如微动工作台，引激光焊接、光学自动聚焦系统等众多领域。纳米定位技术是实现纳米加工和纳米测量的基础，柔性铰链在该领域也有着极其重要的应用。

7、就目前来看，柔性铰链—压电致动微动工作台的研究将占主导地位。随着机器人领域的发展，其运动精度要求达到亚微米级，显然以前的技术无法很好满足此要求。柔性铰链技术的发展成熟很好地解决了这个问题，大行程柔性铰链并联机器人的研究成为机器人研究的热门课题。1.2柔性铰链研究意义随着纳米技术的兴起和飞速发展，基于柔性铰链—压电陶瓷驱动的纳米级微定位技术已成为能束加工、超精密加工、微操作系统等前沿技术的基础支持技术。利用柔性铰链的众多优点，易实现亚微米甚至纳米级的精度。因此，研究柔性铰链对于纳米技术的进一步发展与广泛应用非常有意义。2研究的基本内容与主要任务与目标2

8、.1基本内容本次毕业设计中主要完成的内容包括：（1）设计一维柔性铰链平行四边形结构的微动工作台，并进行解析分