針對由壓電陶瓷驅(qū)動的微定位平臺工作行程不足的問題,設(shè)計了一種基于二級杠桿機構(gòu)的二自由度微定位平臺。考慮到不同柔性鉸鏈的物理特性,通過差異化的鉸鏈組合方式來優(yōu)化新型二自由度微定位平臺的性能,使其具有較快響應(yīng)速度和大范圍輸出位移。基于拉格朗日定理,構(gòu)建了新型二自由度微定位平臺的剛度模型,并推導(dǎo)了其固有頻率的解析表達式。有限元仿真結(jié)果表明,該二自由度微定位平臺剛度模型的誤差較小,驗證了剛度建模方法的準確性和可靠性。研究結(jié)果可為柔性精密微定位平臺的構(gòu)型設(shè)計和建模分析提供一定的理論指導(dǎo)。 

【文章來源】：工程設(shè)計學(xué)報. 2020,27(04)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

典型缺口型柔性鉸鏈示意圖

杠桿機構(gòu)是較常用的放大機構(gòu)，相比于其他放大機構(gòu)，其具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便和放大倍數(shù)易分析等優(yōu)點，但其結(jié)構(gòu)不緊湊，尤其是為了得到大放大比，需要增大機構(gòu)的整體尺寸。為有效平衡杠桿機構(gòu)尺寸和微定位平臺輸出位移之間的關(guān)系，需選擇具有合適放大級數(shù)的杠桿機構(gòu)。一級杠桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，但難以得到足夠大的輸出位移；三級或多級杠桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)不夠緊湊，易產(chǎn)生寄生運動。鑒于此，選擇二級杠桿機構(gòu)作為微定位平臺的放大機構(gòu)。同時，為了提高微定位平臺的響應(yīng)速度，對傳統(tǒng)杠桿機構(gòu)的幾何形狀進行優(yōu)化。圖2所示為3種不同類型的杠桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及其力驅(qū)動形式，其中圖2(a）、（b）為新型杠桿機構(gòu)，圖2(c）為傳統(tǒng)杠桿機構(gòu)。圖2中：小黑點表示杠桿機構(gòu)的質(zhì)心，m表示杠桿機構(gòu)的質(zhì)量，r1、r2和r3分別表示3種不同類型杠桿機構(gòu)的質(zhì)心與轉(zhuǎn)動軸之間的距離，F(xiàn)表示驅(qū)動力。杠桿機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量J為：

二級杠桿機構(gòu)作為微定位平臺的位移放大、傳遞機構(gòu)，采用完全對稱結(jié)構(gòu)，以避免應(yīng)力集中和確保機構(gòu)不受切向破壞力的影響，同時使非驅(qū)動位移方向上的受力抵消，不產(chǎn)生附加位移，以提高運動精度。二自由度微定位平臺中二級杠桿機構(gòu)的尺寸參數(shù)如圖4所示。圖4中：l1為位移輸入點S到柔性鉸鏈A的水平距離；l2為柔性鉸鏈A到柔性鉸鏈B的水平距離；l3為柔性鉸鏈C到柔性鉸鏈D的水平距離；l4為柔性鉸鏈D到柔性鉸鏈G的水平距離；l5為連接工作平臺的每根桿的長度；l6為位移導(dǎo)向機構(gòu)中直梁型柔性鉸鏈的缺口長度。為了方便計算，取二級杠桿機構(gòu)的一側(cè)進行分析，其放大原理如圖5所示：輸入位移Δd經(jīng)由柔性鉸鏈A、B組成的第1級杠桿和由柔性鉸鏈C、D、G組成的第2級杠桿進行放大處理，最終在柔性鉸鏈H處輸出位移Δy。圖5中：Δa表示輸入位移經(jīng)第1級杠桿放大后的輸出位移，同時也是第2級杠桿的輸入位移；θ1表示第1級杠桿的轉(zhuǎn)角；θ2表示第2級杠桿的轉(zhuǎn)角。圖4 二自由度微定位平臺中二級杠桿機構(gòu)的尺寸參數(shù)

【參考文獻】：
期刊論文
[1]355 nm全固態(tài)紫外激光加工玻璃通孔工藝[J]. 王文濤,梁庭,雷程,李奇思,李永偉,李志強,單存良.  微納電子技術(shù). 2020(01)
[2]壓電材料在振動控制領(lǐng)域的研究進展與應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 姚曉成,趙程,曾濤.  機械工程材料. 2019(06)
[3]新型3-PRC柔性并聯(lián)微操作平臺的研究[J]. 李祥春,李楊民,丁冰曉,徐洪業(yè).  機械科學(xué)與技術(shù). 2018(05)
[4]壓電陶瓷驅(qū)動器杠桿式柔性鉸鏈機構(gòu)放大率計算方法[J]. 沈劍英,張海軍,趙云.  農(nóng)業(yè)機械學(xué)報. 2013(09)
[5]柔性對稱微位移放大機構(gòu)性能分析方法的研究[J]. 劉慶玲.  工程設(shè)計學(xué)報. 2013(04)
[6]2自由度大行程微定位平臺結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計[J]. 張彥斐,宮金良.  機械工程學(xué)報. 2010(23)
[7]柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動剛度分析與驗證[J]. 魯亞飛,范大鵬,陳峰軍,范世.  機械與電子. 2010(01)
[8]機構(gòu)學(xué)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的思考[J]. 高峰.  機械工程學(xué)報. 2005(08)

碩士論文
[1]橋式杠桿放大機構(gòu)的設(shè)計、優(yōu)化及控制研究[D]. 高福天.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2019
[2]基于遠心雙目微視覺伺服的光纖精密對準控制研究[D]. 周德文.華南理工大學(xué) 2016
[3]柔順精密二自由度定位平臺技術(shù)研究[D]. 王子毅.西安電子科技大學(xué) 2015
[4]二自由度大行程微定位平臺設(shè)計與運動控制[D]. 李政.天津大學(xué) 2014



本文編號：3134881