簡述柔性鉸鏈微精密位移平臺性能仿真

添加時間：2020-6-9 8:58:01 作者：浙江金科機械傳動有限公司

摘要： 本文從柔性鉸鏈微位移平臺的背景出發(fā)，介紹了柔性鉸鏈的運動實現(xiàn)以及特點，以一維微位移工作平臺為例，用Inventor建立其模型。并用ANSYS對其進行位移與應力仿真，得出輸入與輸出相應關(guān)系，并在壓電陶瓷驅(qū)動器行程范圍內(nèi)找到線性響應區(qū)域.
關(guān)鍵詞 ： 精密位移平臺   手動位移平臺   可調(diào)位移平臺   XY精密平臺
1  背景介紹  
  精密位移平臺是近年來發(fā)展起來的一種新型機械傳動和支撐機構(gòu)，用于繞軸作復雜運動的有限角位移。也可理解為利用其結(jié)構(gòu)薄弱部分的彈性變形可實現(xiàn)類似普通鉸鏈的運動傳遞,極大地拓展了微精密位移平臺驅(qū)動器的應用范圍和應用領(lǐng)域。  
  隨著納米技術(shù)的興起和飛速發(fā)展，基于精密位移平臺—壓電陶瓷驅(qū)動的納米級微定位技術(shù)已成為能束加工、超精密加工、微操作系統(tǒng)等前沿技術(shù)的基礎(chǔ)支持技術(shù)。利用柔性鉸鏈的眾多優(yōu)點，易實現(xiàn)亞微米甚至納米級的精度。因此，研究柔性鉸鏈對于納米技術(shù)的進一步發(fā)展與廣泛應用非常有意義。  
  近年來，采用壓電元件驅(qū)動，精密位移平臺機構(gòu)傳動實現(xiàn)精密定位有著眾多的應用，如微動工作臺，引激光焊接、光學自動聚焦系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。納米定位技術(shù)是實現(xiàn)納米加工和納米測量的基礎(chǔ)，精密位移平臺在該領(lǐng)域也有著極其重要的應用。就目前來看，精密位移平臺—壓電致動微動工作臺的研究將占主導地位。

2   精密位移平臺的運動實現(xiàn)  
   精密位移平臺是通過彈性形變來實現(xiàn)鉸鏈運動。施加的彈性變形力會導致鉸鏈中心點偏移其幾何中心，從而影響柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動精度。精密位移平臺用于繞軸做復雜運動的有限角位移，它有很多種結(jié)構(gòu)，最普通的形式是繞一個軸彈性彎曲。如圖1所示，組成柔性工作系統(tǒng)主要的基本形變是在Mz作用下繞Z軸的轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生相應轉(zhuǎn)角以及在y方向上的位移dy。與此同時在x方向上也產(chǎn)生相應的收縮位移dx。通常情況下dx相對于dy是一個小量，即運動的主位移為dy。
  理想精密位移平臺應可以繞其中心點自由旋轉(zhuǎn)，但對于真實的柔性鉸鏈，要讓它作旋轉(zhuǎn)運動就必須施加變形力。為了定量的考察各個精密位移平臺的運動范圍和運動精度，通常選用D點的位移來表示其運動范圍，而用中心點C的偏移量來表是其運動精度。      
  各種微動方面的運用需求要求能實現(xiàn)小范圍內(nèi)微動的機械結(jié)構(gòu)不僅要高分辨率，也要結(jié)構(gòu)微小型化。精密位移平臺機構(gòu)具有較高的位移分辨率，再配合壓電陶瓷驅(qū)動器可實現(xiàn)微小位移，可適合各種介質(zhì)環(huán)境工作。
  目前運用于壓電驅(qū)動實現(xiàn)微動的精密位移平臺主要有：直圓型、橢圓型、直角型、拋物線型、雙割線型。所以這里設計中柔性鉸鏈移動副以及其伴生運動的抑制為主要研究對象。柔性鉸鏈分析是基于小變形懸臂梁假設，變形為彈性變形，彎曲變形是由力和彎矩產(chǎn)生的。理想情況下，柔性鉸鏈繞其中心轉(zhuǎn)動，中心軸的位置應該不變，實際上彎矩和拉力的作用下，柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動中心會產(chǎn)生偏移，從而影響了鉸鏈的轉(zhuǎn)動和運動精度。根據(jù)材料力學卡式第二定理，鉸鏈回轉(zhuǎn)中心的位移x2，y2，
  柔度是指構(gòu)件在軸向受力的情況下，沿垂直軸向方向發(fā)生形變的大小。柔度矩陣中C33為力Fx1在中心點x 軸方向上的柔度。根據(jù)微動平臺的要求，柔性鉸鏈伴生運動應該越小越好，由上面C33的定義可知，C33越小柔性鉸鏈正在x 軸方向上的變形越小，即鉸鏈的伴生運動越小。在預定設計參數(shù)的情況下，直圓鉸鏈的C33小，所以直圓柔性鉸鏈x 軸的伴生運動比較小，適合運用于微動平臺。