三种两自由度柔顺精密定位平台的性能对比与分析

针对传统的缺口型和直片型柔性铰链平台行程不足的特点,设计了一种波纹簧片型柔性铰链,并在此基础上设计了由电磁驱动的两自由度柔顺精密定位平台。基于波纹簧片型、缺口型和直片型柔性铰链平台的特点建立有限元模型分析了这三种平台的静态和模态性能,包括行程,固有频率等。利用电磁驱动作为定位平台的输入驱动,综合对比了三种平台的实际行程,耦合位移,重复定位精度等性能,验证了有限元分析的正确性。结果表明,相比于缺口型和直片型柔性铰链平台,基于波纹簧片型柔性铰链的两自由度柔顺精密定位平台具有行程大,定位精度高的特点,对于柔顺精密定位平台的研究具有重要的参考价值。     

一种3自由度精密微定位平台的设计与分析

高精度的微定位平台是精密定位技术研究的重要内容之一。采用柔顺机构作为微定位机构及压电陶瓷作为驱动器,设计了一种3自由度精密微定位平台。首先,对设计的微定位平台进行了理论分析,得出了该平台的理论输入与输出关系,同时确定了其行程范围。然后,采用ANSYS有限元方法对该平台在给定输入情况下的变形进行了分析,并对其输出位移进行了仿真。分析结果表明,设计的3自由度微定位平台理论分析结果和仿真分析结果基本吻合。最后,根据分析结果,制作了微定位平台样机。这种高精度的微定位平台在精密定位领域有着广泛的应用前景。     

一种低成本微定位平台的设计与仿真

针对半导体及微纳制造等领域对微定位系统低成本高精度的要求,根据以宏观的输入获得微观的输出、低精度驱动器输入获得高精度输出的设计思想,设计了一种基于柔性铰链差式杠杆机构的低成本微定位平台。在该平台中,通过设计位移缩放机构,将驱动器的宏观输入位移进行比例缩小,实现平台的微观输出,降低微定位平台的成本。分析了微定位平台的刚度,并根据该平台定位机构所受载荷的不同,设计了两种不同的柔性铰链。在此基础上,建立了该平台的有限元分析模型,采用ANSYS对该平台的应力进行了分析,并对该平台的输出位移进行了仿真。仿真结果证明了该微定位平台的可行性。     

微夹持器的有限元分析

设计了一种基于柔顺铰链的微夹持器。微夹持器采用柔顺铰链为导向机构,为了提高微夹持器的分辨率,采用两级杠杆柔顺机构对输入位移进行放大。建立了系统的理论分析模型,并对其静态特性进行了分析。在此基础上对平台尺寸进行了优化设计,给出了平台尺寸的最优数值结果。最后利用有限元分析软件COSMOS对平台进行静力分析和模态分析,验证设计的正确性和有效性。     

低成本柔顺板式精密定位平台的理论与试验

基于柔顺薄板的弹性变形原理,提出一种低成本、整体式柔顺精密定位平台的设计方法。设计一种平板弹簧机构,使平台能够在较低精度驱动器的驱动下获得高精度的位移输出,从而大幅度降低精密定位平台的成本。建立平台的刚度模型,分析驱动器的精度与平台的定位精度之间的相互关系。最后,分析加工误差对平台定位精度的影响,得出影响定位精度的关键结构参数。通过试验测试,得出驱动器的输入位移和精度分别为4 mm和10m,平台的输出位移和精度分别为9 m和40 nm,线性度为0.33,从而验证了该设计方法的正确性。该平台结构紧凑,成本低,具有很好的性价比,应用前景广阔。     

基于视觉的三自由度微动平台输入耦合研究

为了提高精密微动平台的定位精度,提出了一种计算微动平台输入耦合位移系数的实验方法.构建显微视觉测量系统,以柔顺铰链式平面三自由度微动平台为研究对象,实时跟踪测量微动平台输入位移；对平台与图像之间的坐标系进行标定,有效提高了平台的输入位移和耦合位移的测量精度.实验表明,基于显微视觉的测量结果与Ansys模拟仿真结果相符,对微动平台的分析与设计具有一定的参考意义.     

单自由度柔性微定位平台的设计与分析

针对微/纳精密操作定位精度要求,基于压电陶瓷驱动方法,设计了一类适用于面内精密定位工作的单自由度柔性微定位平台,采用单自由度柔性铰链实现机构的微/纳米级运动。通过构建柔性微定位平台的运动学模型得到了机构在铰链空间和笛卡尔空间中的位置映射关系,结合有限元仿真分析各位置柔性铰链的柔度特性对机构执行末端位移输出能力的影响,与位置理论计算结果比较说明其有效性。模态分析、驱动刚度分析为后续的动力学问题研究奠定了基础。     

3自由度精密定位平台的运动特性和优化设计

为了实现3-RRR柔顺并联精密定位平台的精确运动,研究了它的封闭形式精确运动模型和尺寸优化设计。采用卡氏第二定理建立精密定位平台的封闭式柔度模型。根据柔顺并联机构的结构特点,将其划分为3个对称分布的运动支链,并结合铰链的柔度模型和机构力传递关系分别推导出各个支链的刚度模型,整个系统的刚度为所有支链在同一坐标系下的刚度的叠加。建立的刚度模型是以柔性铰链的柔度为变量的封闭形式模型。根据柔度矩阵可得到反映输入位移和输出位移之间关系的雅可比矩阵。理论模型与有限元分析的比较结果显示,两者所得的运动模型误差为1.0%～9.5%,证明了所推导运动模型的正确性和精确性。根据雅可比矩阵的封闭公式,分析其对结构参数的灵敏度,并由此选出对平台运动特性影响较大的优化设计变量。提出以最大化平台工作空间为目标,以铰链强度、最大输入力、几何尺寸和输入耦合为约束的优化模型。结果表明,优化后的结构参数能获得更大的输出位移,说明该方案能满足优化设计要求。     

平面三自由度微动工作台的输入耦合分析

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。     

柔性铰链微定位平台的设计

设计了一种以平行板铰链机构进行导向,以桥式机构进行位移放大的新型压电陶瓷驱动微定位平台。应用弹性力学和材料力学理论建立该平台的桥式放大机构和平行板铰链机构的理论模型,分析了平台的驱动力、输出位移、刚度和固有频率,并运用Matlab软件优化了桥式机构铰链长度、厚度,平行板铰链长度及厚度等几何参数,获得了微定位平台的最优值。对优化后的结果进行了有限元仿真,并搭建了测试系统对平台性能进行了测试。测试结果显示,理论分析与实验结果的最大误差为9.8%,有限元分析与实验结果的最大误差为4.2%,得到的结果验证了理论分析和有限元分析的正确性,实现了平台体积小,放大倍数高,位移输出大的设计目标。     

一种大工作空间密度的压电微动二维工作台设计

针对目前微纳定位工作台工作空间密度小的问题,设计了一种新型二自由度对称式并联微纳定位工作台。分析了影响平行四边形位移放大机构变形的主要因素;对直圆柔性铰链、平行板柔性铰链和倒圆角直梁型柔性铰链进行刚度计算;采用能量法和位移矩阵得出平行四边形位移放大机构输出力和载物台运动位移的计算公式;优化平台尺寸,并对优化后的结果进行有限元仿真和实验分析。实验后得到设计平台的工作空间尺寸为143.7μm×142.1μm,工作空间密度可达2.521μm~2/mm~2,与同类型平台相比,能够实现较大的工作空间密度。     

压电驱动三自由度柔顺精密定位平台研究

设计了一种由压电陶瓷驱动的整体式平面3-PRR柔顺并联定位平台,平台每条支链采用半圆型柔性转动铰链和直角型柔性直线铰链代替传统的转动副和移动副,消除了传统机构的铰链配合间隙和摩擦,通过Ansys软件对两种铰链进行了刚度分析,并在支链的输入端设计了柔性杠杆位移放大机构以提高平台的工作空间。基于“伪刚体模型法”建立了柔顺定位平台的运动学模型,采用Ansys软件对柔顺并联平台进行有限元分析,得到其静力学特性,最后搭建了平台测试实验系统进行了验证实验。通过运动学模型解析结果和有限元仿真结果与实验结果对比,得到在x方向、y方向和转动角φp的最大误差分别为10.81%,9.66%和9.79%,验证了运动学理论模型建模方法的可行性。     

基于GMA二维柔性铰链平台的传动特性与分析

针对柔性铰链微定位平台两个方向同时施加载荷后难以提高平台位移精确度的问题,以基于GMA二维柔性铰链微定位平台为对象,对其进行静力学建模与仿真。运用J.M.PAROS柔性铰链计算公式、微分原理和能量守恒定律,建立了一种新型的二维柔性铰链平台力与位移之间关系的静力学模型,通过有限元仿真验证,精确度为4.64%。并使用MATLAB进行线性回归来拟合,得出线性回归方程且回归效果非常好。为二自由度及多自由度柔性铰链输入力与输出位移之间关系的研究提供了借鉴及参考的依据。     

一种新型精密微定位平台的设计与分析

为了减小微定位平台的寄生运动,提高微定位平台的直线度,采用二级柔顺杠杆机构作为放大机构,以直梁型柔性铰链作为导向机构,设计了一种基于压电陶瓷驱动的新型精密微定位平台。根据虚功原理建立了新型精密微定位平台的理论模型,推导了其放大倍数、刚度的计算公式;采用ANSYS Workbench对新型精密微定位平台进行了有限元仿真分析,并搭建了试验测试系统。试验结果表明:微定位平台的最大行程可以达到68.32μm,放大倍数可以达到2.02,直线度为1.19%～1.42%,误差较小。经比较分析,试验结果与理论值贴合度较高,表明二级柔顺杠杆机构响应速度快、定位精度较高。     

基于三角原理的压电驱动微位移定位机构的设计与分析

设计了一种基于三角原理的精密柔性定位机构,机构由压电叠堆作为驱动元件,经由柔顺机构输出缩小的位移。首先说明了机构的设计原理,然后设计了柔顺机构的结构,进行了理论计算和有限元分析,最后在试制的样机上进行了静态特性的实验,结果表明该柔顺机构可以实现预期的运动。     

基于柔顺机构的两自由度微动精密定位平台的分析与设计

基于柔性铰链变形原理设计了一种压电驱动的两自由度柔顺机构微动精密定位平台.首先建立了平台的刚度、固有频率和强度的分析模型,通过优化设计得出了平台的最优结构尺寸.利用有限元软件仿真分析验证了设计模型和优化结果的正确性.最后制造了原型样机,进行了实验,对平台进行了标定并分析了平台的定位误差.     

3-PRR平面三自由度纳米定位平台的设计

本文设计了一种由压电陶瓷驱动的应变片进行检测的平面三自由度纳米定位平台,该平台采用的是平板铰链、直圆铰链及单边V型铰链导向的3-PRR结构。通过建立平台的伪刚体模型及对其进行位姿分析,获得了平台的正、逆解。同时,运用有限元分析方法对平台进行了仿真分析。搭建了3-PRR平面三自由度纳米定位平台测试实验系统对所设计平台进行试验。实验结果显示:3-PRR平台沿x轴、y轴的行程及最大转角分别为-11.32~11.41μm、-12.47~12.76μm、3.63′,对应的分辨率分别为71nm、83nm、1.35″。理论分析结果、有限元仿真结果与实验结果的最大误差分别为5.87%、6.19%,验证了理论分析和有限元仿真的正确性。x轴及y轴的位移输出与应变片的输出电压近似呈正比关系,证实了利用应变片来检测3-PRR平台运动的可行性。     

柔顺正交二级杠杆位移放大机构的设计与分析

设计位移放大机构是扩大压电叠堆驱动器输出位移，进而提升精密定位平台和微纳操作末端执行器工作空间的常见策略之一。对于柔顺位移放大机构，如何提高位移增益并使输出位移达到预期方向是其研究热点之一。鉴于此，对柔顺正交二级杠杆位移放大机构进行了系统性设计与分析。首先，分析机构与压电叠堆驱动器的运动学特性要求，结合机构自由度分析与刚体替代法，对柔顺正交二级杠杆位移放大机构进行系统性结构设计；然后，考虑柔顺铰链中点漂移与杆件变形，运用矢量多边形、卡氏第二定理与静力平衡方程，对机构位移增益进行静力学建模；进而，基于蒙特卡洛方法，对机构尺寸参数进行全局敏感性分析；最终，利用有限元仿真，对机构运动学综合、位移增益建模以及敏感性分析结果的有效性进行验证，并基于敏感性分析和有限元仿真结果，进一步设计了机构尺寸参数的制造公差等级。所提出的机构位移增益建模与敏感性分析方法无需使用输入输出位移正交的条件，可以推广应用于一般的柔顺多级杠杆位移放大机构。     

新型3-UPU柔性微操作平台的设计与分析

基于柔性铰链设计了一种新型3-UPU并联微操作平台,该平台可以实现空间中的三自由度运动。该机构由三条相同的支链采用对称的方式与动、静平台相连,以压电陶瓷作为驱动装置并内置在桥式位移放大器中。通过理论计算和有限元仿真对放大器的放大比进行了误差分析,又对平台的相关性能进行了研究,结果表明该平台的设计可靠、合理。     

基于铰链刚度柔性微夹钳设计及分析

柔性微夹钳是一种用于将微驱动输出位移放大处理的柔性机构。该结构是利用机构中柔性构件的自身变形来实现运动、力和能量的传递和转换的一种新型机构。本文基于铰链刚度设计并分析了具有放大功能的全柔性微夹钳。基于伪刚体模型建立运动平衡方程,依据虚功原理得出微夹钳输入力、输入位移与输出位移之间的关系,并对以此计算过程所得模型进行有限元模拟分析,分析结果说明与理论计算一致。当该柔性微夹钳在材料强度极限允许范围内,微夹钳单侧输出位移可达0.989 mm。而且瞬态变化均是连续平稳的,且没有突变,表明该柔性钳在运动过程中,具有良好的平滑性。最后,进行柔性微夹钳的样机制作和试验测量,验证了设计的可行性。