全柔性微位移放大机构的设计与分析
第１期
２０１１年１月 机械设计与制造
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ４５
文章编号：１００１—３９９７（２０１１）Ｏ１—００４５—０３
全柔性微位移放大机构的设计与分析
吴国昌邱丽芳段磊谢之勇
（北京科技大学机械工程学院，北京１０００８３）
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｆｕｌｌｙ ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ｍｉｃｒｏ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ
ｗｕ Ｇｕｏ－ｃｈａｎｇ，ＱＩＵ Ｌｉ－ｆａｎｇ，ＤＵＡＮ Ｌｅｉ，ＸＩＥ Ｚｈｉ－ｙｏｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ） ：。。’。。’ⅢⅢ。。。。。’。。’。。’Ⅲ㈣ⅢⅢ。。 。。’。。 ⅢⅢⅢ。。。。。’。。’。。．㈣Ⅲ。。’。。’。。’ⅢⅢⅢ。。 。。 Ⅲ。。’ⅢⅢ…。。 。。’。。’。。’Ⅲ。＝ 。．…。。。。。： 【摘要】微机械放大器中常采用全柔性微位移放大机构来实现输出位移的放大，且大多采用短
臂柔性铰链连接各构件。设计了一种对称的长柔性杆微位移放大机构，结合弹性力学和Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ—Ｅｕ—
ｌｅｒ假设，推导出该放大机构的力位移计算公式及放大比公式。对影响该机构放大比的关键因素进行了
分析，通过实例分析得到该机构中的长柔性杆角度与输出位移之间的关系。同时用有限元方法对该实
例进行了仿真分析，并对两种方法所得结果进行了分析比较。
关键词：全柔性机构；柔性铰链；微位移；放大比；有限元分析
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｆｕｌｌｙ ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ｍｉｃｒｏ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｍｐｌｉｆｃａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓ ＵＳＨ ａｌｌｙ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｂｅ
ｕｔｉｌｉｚｅｄ ａｓ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｍｐｌｉｆｅｒ．Ｕｓｕａｌｌｙ ｓｍａｌｌ——ｌｅｎｇｔｈｆｌｅｘｉｂｌｅ ｈｉｎｇｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｊｏｉｎｔ ａｌｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ
ａｍｐｌｉｆｃａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ａ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｍｉｃｒｏ—－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｂｅａｍｓ
ｗａｓ ｄｅｓ ｉｇｎｅｄ，ｃｏｍｂ ｉｎｅｄ ｗｉｔｈ Ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ａｎｄ Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ－Ｅｕｌｅｒ ａｓｓ ｕｍｐｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ－ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ
ａｎｄ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｆｃａｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ ｗｅｒｅ ｄｅｒｉｖｅｄ．Ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆｔｈｅ ａｍｐｌｉｆｃａｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ ｗｅｒｅ ａｎ￣ｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａ—－
ｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｎｇｌｅｓ ｏｆｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｂｅａｍｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｎｄ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ
ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ａｎａｌｙｚｉｎｇ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｉｄ ｏｆｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｈｓ ｏｆｔｈｅ ｔｗｏ ｍｅｔｈ—
ｏｄｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｆｕｌｌｙ ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｈｉｎｇｅ；Ｍｉｃｒｏ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ；Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｒａ－ ；ｔｉｏ；Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ） ；。。．。ｏ◆ｏ。．。。◆。。◆。。．ｏｏ◆ｏ。．。。◆。ｏ◆。。．。。．。。．。。◆。ｏ◆。。◆ｏ。◆。。．。。．。。．。。◆。ｏ◆。ｏ◆。ｏ．。。．ｏ。．。。◆。。．。。◆。。・。。・。ｏ◆。。◆ｏ。．。。◆。。・。。・。。・。ｏ◆ｏ。．。ｏ◆ｏｏ◆ｏ。◆。。・。。・。。．Ｏ 中图分类号：ＴＨＩ２２文献标识码：Ａ
１引言
机构是用来进行运动、力或能量传递或转换的机械装置 ，随
着微机电系统（ＭＥＭｓ）的发展，传统的刚性机构在制造、装配、精
度、可靠性、磨损等方面已不能满足要求，柔性机构的出现从机构设
计的角度为解决这些问题提供了新的方法 全柔性机构在结构上
采取—体化设计，没有传统的运动副，利用机构中柔性构件的弹性
变形，来实现力、运动和能量的传递。因此对构件间的连接形式提出
了更高的要求 一。根据不同放大原理，微位移放大机构有多级杠杆
放大、差动杠杆放大、多连杆放大、三角放大等多种结构形式Ｆ，ｓ 。这
些机构多采用短臂单轴柔『生铰链连接各构件，其转动是靠铰链本身
★来稿日期：２０１０—０３＂０６★基金项目：国家自然科学基金项目（５０８０５００８） 材料的弹性变形来实现的。柔性铰链的转动能力、回转精度、应力水
平等Ｉ生能与 的尺寸有很大关系。其转
动刚度、柔度的计算一般采用数值积分方法或弹胜静力学方法，根
据柔ｆ生铰链的柔度再求得柔 机构的力与位移的关系。
设计了另一种形式的全柔性微位移放大机构，采用长柔性
杆的变形，而不是短柔性铰链的变形来输出位移，并结合弹性力
学和Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ—Ｅｕｌｅｒ假设Ⅲ，对该机构进行了研究，推导出该放大
机构的力位移计算公式及放大比公式。分析了影响其输出位移及
放大比的关键因素，对微位移放大机构的设计与分析方法的理论
研究具有一定的意义。
在螺纹孔上使用螺栓，尤其是在软质材料上（比如铝材料），根据 实际运用中，采用的螺栓为Ｍ１０￣Ｉ．５，扭矩规范取值范围为
经验值，螺纹啮合长度至少是螺栓公称直径的两倍。
根据夹持力计算可知，选用的螺栓为Ｍ１０ｘ１．５，其公称直径
Ｄ＝１０ｍｍ，因此螺纹啮合长度Ｌ不少于１０ｍｍｘ２＝２０ｍｍ。
３计算结果及验证
通过对夹持力、扭矩、表面压力及啮合长度等方面对螺栓进行
设计的过程及计算结果可知：转向机到副车架的安装螺栓规格应为
Ｍ１０ｘ１．５，螺纹长度应不小于２０ｍｍ，施加扭矩约为４２．１６Ｎ．ＩＴＩ。 （４０～５０）Ｎ．ＨＩ，螺纹啮合长度为３０ｍｍ，此设计已经通过整车试验
验证，车型已上市，运行良好。
参考文献
１王弘生ＴＦＪＤ内部培训资料，２００９（５） ２中国汽车技术研究中心汽车标准化研究所．汽车设计标准资料手册（标 准件篇）．吉林：吉林科学技术出版社，２０００（９） ３中国机械工业标准汇编（第三版）．北京：中国标准出版社，２００４ ４陈家瑞．汽车构造（下册）．北京：机械工业出版社，２０００（１０）
４６ 吴国昌等：全柔性微位移放大机构的设计与分析 第１期
２微位移放大机构的设计
设计的全柔性微位移放大机构，如图１所示。该机构结构上
下左右均对称，约束、作用力等也对称施加，故町取该机构的１，４
进行分析计算，其尺寸示意，如图２所示。当在Ａ点施加作用力
Ｆ，并有输入位移时，即可在Ｃ点得到所需的输出位移。
Ｙ
图１全紊ｆ生微位移放大机构
图２微位移放大机构尺寸示意图
由于 杭成的微型全柔．ｆ生微位移放大机构委托“北京大学
微电子学研究院国家级微米／纳米加工重点实验室”进行加工制造，
为了满足其标准的加工工艺流程，提高器件加工的成品率，机构尺
寸需根据其“多用户ＭＥＭＳ体硅标准工艺流程与设计规则
ｖ２００６０８２５”来设计。因此，从加工工艺和设计的性能要求等因素出
发，全柔．陛机构的厚度设定为ｂ＝７５１ｘｍ，角度ａ＝３０。，１３＝３０ｏ，长度／１＝
ｚ ＿４１２１ｘｍ，宽度ｈｌ－ｈｚ＝ｌ３ｌｘｍ，材料为单晶硅，其基本Ｉ生能参数为：弹
性模量Ｅ＝１２９．５ＧＰａ，泊松比ｇ．－－０．２８，屈服应力ｏ－，＝２６００ＭＰａ。
３理论建模与分析
当施加作用力Ｆ后，由于微位移放大机构结构与载荷均对
称，长柔性杆的一端“固定”，而另一端被“导向”，以Ｄ 长柔性
杆为例，其形变形状关于中心线反对称，如图３所示，同时由图３
可得，，Ｊ Ｄ：长柔性杆中点０。的角变形为最大值，而曲率为零。由
Ｂｅｎａｏｕｌｌｉ—Ｅｕｌｅｒ假设可以得到，力矩与曲率呈正比，即中点０ 的
力矩也为零。当中点没有力矩时，Ｄ，Ｄ：长柔性杆分为两段来研究，
如图３所示，Ｄ ０ 柔性杆仅在末端受力，对其进行受力分析。 一 ＦｌｙＣｏａ — ｓｉｎ ） 一—————————— ＿＿———一 ２Ｅｂｈ１
将位移向ＸＹ轴分解，得： １ ｌ ｓｉｎｓ，占ｌ ｌ ＣＯＳＯＬ
由位移叠加得： ＝２８ ＝ 。 （１）
＝４６１１＇６Ｂｙ Ｊ＝０ （２）
： 至 ： 辈
３Ｅｆ ｂｈｉ １ ２Ｅｂｈ
； ｓｉ ，疋 ｃｏｑ３
位移叠加得： ：＝２ ， ＝ｏ （３）
ｔＳｃｘ＝０，酝＝２￣２ｙ （４）
因为 。 ：， 印 ＝０， ＝ １ Ｆ， ＝ ，代入式（１）一（４）
３ ３ ２ ）
３ ２ １ ｈ ２ｌ１ｓｉｎ ａ３ ２ ３３ ２）、
＝ （ １一瘫 ３ ３ ２ ）
＝Ｏ
３蒜３蒜３
则输出／输入放大比为：Ｑ＝ ＝ （５）
（６）
（７）
（８）
由式（７）可得影响输出位移的结构因素为 、１ 、１２、ｈ 、ｈ 。现
取Ｆ＝０．０１Ｎ，且３０。 ａ曼６０。，３０。≤口 ６０。，其他参数如前所述，利
用ＭＡＴｔ ＡＢ作出 与 角度关系三维曲面，如图４所示。可
看出微位移放大机构在一定载荷下，在设定角度范围内输出位移
随着 ４３角度的增大而减小。
图３变形及受力分析示意图
当柔性杆在垂直力作用下产生微小变形时，轴向拉压应力 ０
对变形影响很小，故在计算中忽略不计。如图３所示，及悬臂梁模
型位移计算公式，得： ．８
图４输出位移与 角度关系图 一 ；
一 一３ ∞ 一
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课题名称：柔性铰链的设计方法研究
一.分析研究课题
1.背景分析
二十世纪六十年代前后，由于航空航天技术的发展，对实现小范围内偏转的支撑结构，不仅提出了高分辨率的要求，还要求结构上具有微小型化的要求。人们在经过对各类型的弹性支撑实验探索后，逐步开发出体积小、无机械摩擦、无间隙的柔性铰链。柔性铰链机构利用了弹性材料微小变形及其自回复的特性，消除了传动过程中的空程和机械摩擦，能获得超高的位移分辨率。随后，柔性铰链被广泛的应用于陀螺仪、加速度计、精密天平、导弹控制等仪器仪表中，并获得了前所未有的高精度和稳定性。摘要
一种柔性铰链是在一矩形立方体相对的两个面分别制有半径为R的圆弧底的凹槽，两圆弧顶点间距为柔性厚度t，两圆弧圆心轴与厚度t垂直，与两圆心连线平行的立方体二侧边为铰链的宽度h,h≥2R+t，此构成一个组成单元，柔性铰链是由1—5个单元组成的整体。其可完成一维、二维、三维方向的角度调整，具有运动方程简单、一体化好、精度高、灵敏性和稳定性好的特点，还有结构简单、无机械空回、制作容易、使用方便的优点，适用于智能控制机构。
2.需解决的问题
柔性机构历经20年的发展已成为现代机构学一个重要分支,并在精密工程、机器人等领域得到了广泛应用。虽然涌现了一系列柔性机构设计方法与理论,但柔性机构的设计问题仍面临着挑战。主要针对柔性机构在精微领域的应用,从方法和技术的角度全面地概述柔性机构的研究进展。从宏观上对当前几种主流的柔性机构分析与及设计方法(包括伪刚体模型法、结构矩阵法、约束设计法、旋量理论拓扑综合法、模块法、结构优化设计法等)进行总结与比较,按照柔性机构的设计流程详述柔性机构在单元建模、构型综合、机构分析以及尺度综合等方面的国内外研究进展,对柔性机构设计理论的发展进行展望。
3.文件检索的要求
（1）所需的文献内容、水平。紧贴本课题的要求的文献，文献能够代表当今该技术领域的研究水平。
平面柔性铰链导向机构刚度分析与实验测试
平面柔性铰链导向机构刚度分析与实验测试
王洪喜;王艳波;白朝辉
【摘 要】柔性导向机构是精密仪器设计中的一种重要的导向形式,其在导向方向的刚度计算是机构设计的关键技术.基于材料力学的弯矩方程,推导出平面柔性铰链的抗弯刚度解析式,并采用能量法求解出平面柔性铰链导向机构的刚度解析式.为验证解析公式的正确性,设计并加工了平面柔性铰链导向机构,在精密弹簧拉压实验仪上进行刚度测试,实验结果与理论计算结果进行对比,二者的相对误差为4.7％,证实了解析公式的正确性.
【期刊名称】《西安工业大学学报》
【年(卷),期】2012(032)008
【总页数】5页(P631-635)
【关键词】平面柔性铰链;刚度;导向机构;簧片
【作 者】王洪喜;王艳波;白朝辉
【作者单位】西安工业大学机电工程学院,西安710032;西安工业大学机电工程学院,西安710032;西安西正印制有限公司,西安710077
【正文语种】中 文
【中图分类】TH703
柔性铰链是一种特殊的机构形式，它用材料可逆的弹性变形来传递运动和能量，在宇航、制造、光学、生物工程等诸多领域都有广泛应用［1－3］，尤其是近几年，在微位移、微定位、测量、光学平台、微调整机构、大型天线空间展开机构等工程技术领域应用越来越多.柔性铰链因在结构上的一体化设计和利用弹性形变产生运动和传递能量，它具有无空回、无摩擦、无间隙、无噪声、无磨损、运动灵敏度高等特点.平面柔性铰链是柔性铰链中的一种，一般采用普通的片簧加工而成，加工成本低，结构装配简单，特别适合于精密机械设计领域.采用平面柔性铰链设计的导向机构与传统的导向机构相比具有结构紧凑、零部件少、导向精度高、不需要润滑等.
1 柔性导向机构的基本形式
采用柔性机构作为导轨，用以实现高精度导向［4－7］，其常用结构形式如图1所示的四种平行四边形平动导向机构，按照顺序分别命名为Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型.其中Ⅰ型是一种典型的半直圆柔性铰链导向机构，结构接凑，稳定性好，但铰链部分易疲劳；Ⅱ型是带加强板的平行簧片导向机构.
压电作动二维柔性结构稳像平台
压电作动二维柔性结构稳像平台
党冰楠;黄卫清;王寅
【摘 要】基于一种大行程、双向主动作动的压电直线作动器,设计了压电作动二维柔性结构稳像平台.稳像平台采用并联式设计方案,利用直角型柔性铰链作为导向机构,将压电作动器和二维柔性结构一体化设计.在有限元分析软件ANSYS里对稳像平台进行输出位移仿真,并加工样机进行实验研究.实验结果表明,在低压低频工作环境下,稳像平台有足够的行程满足二维平面的作动需求,并且内外压电部件嵌套设计的方法成功进行位移解耦.稳像平台的设计方案有效可行.
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2019(048)005
【总页数】4页(P110-112,274)
【关键词】压电作动器;稳像平台;柔性结构;直角型柔性铰链;位移解耦
【作 者】党冰楠;黄卫清;王寅
【作者单位】中国飞行试验研究院,陕西西安 710089;广州大学机械与电气工程学院,广东广州 510006;华侨大学机电及自动化学院,福建厦门 361021
【正文语种】中 文
【中图分类】TH112.5;TN384
0 引言
光学稳像工作原理是在光学系统中利用稳像平台驱动成像系统中的光稳元件作动来补偿光轴的位移偏差以达到稳像目的[1-2]。以压电作动器驱动的二维柔性结构稳像平台通过部分或全部具有柔性的构件弹性变形来产生位移和传递力，具有体积小、易制造、免装配、无摩擦、高精度等优点，可以实现纳米级的定位精度以及位移分辨率，引起了国内外学者的广泛研究[3-8]。
基于课题组研究的一种大行程、双向主动作动的压电直线作动器[9-10]，设计了一种压电作动二维柔性结构稳像平台。对稳像平台输出位移进行了有限元仿真，实验研究了稳像平台位移输出特性。
1 稳像平台结构设计
1.1 压电直线作动器
作者所在课题组提出了一种大行程、双向作动的非共振式压电直线作动器，其结构如图1所示。
压电直线作动器由2种三角位移放大机构串联组成，当位移放大机构中的压电叠堆两端电压升高，压电叠堆受压伸长，作动器进行主动作动。当压电叠堆伸长时，伸张式位移放大机构输出位移方向为X正方向；收缩式位移放大机构输出位移方向为X负方向。对2种位移放大机构上的压电叠堆的独立加载，可实现同一直线上2个不同方向的主动作动，响应速度快且输出易于控制。
基于ANSYS的差动式位移放大机构性能分析
第２５卷第４期 Ｖ０１．２５ Ｎｏ．４ 湖北工 业 大学 学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２０１０年８月 Ａｕｇ．２０１０
［文章编号］１ＯＯ３—４６８４（２０１０）０４—００７７—０３
基于ＡＮＳＹＳ的差动式位移放大机构性能分析
江晓阳，陈定方
（武汉理工大学智能制造与控制研究所，湖北武汉４３００６３）
［摘要］柔性铰链具有无空回、无摩擦、无间隙、无噪声、无磨损、运动灵敏度高等特点．基于柔性铰链设计了一种
针对超磁致驱动器的差动式位移放大机构，并采用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对位移傲大机构进行仿真分析．分析结
果表明，位移放大机构的放大倍数较大，强度满足要求，动态特性较好．设计的位移放大机构对高精度、大行程输出
的精密驱动器件的实现具有参考价值．
［关键词］差动式；柔性铰链；位移放大机构；有限元
［中图分类号］ＴＨ１１２ ［文献标识码］：Ａ
超磁致伸缩致动器是利用超磁致伸缩材料在外
部磁场变化时发生伸缩形变特性而制作的一种新型
精密致动器，具有低电压驱动、位移分辨率高等优
点，在精密加工领域已显示出良好的应用前景口］．虽
然超磁致伸缩材料的伸缩应变比较大，但其位移输
出相对实际应用来说仍很小，一般只有几十 ｍ．在
实际的工程应用中，有些应用场合要求有更大的位
移，因此，在大位移的应用场合，需要位移放大机构
与其配合．
柔性铰链是一种新型机械传动和支撑机构，用
于提供绕轴做复杂运动的有限角位移．它是利用材
料可逆的弹性变形来产生运动或传递能量，具有无
空回、无摩擦、无间隙、无噪声、无磨损、空间尺寸小、
运动灵敏度高等特点，特别适合应用于精密驱动器
件中 ］．常见的柔性铰链有圆弧型和直梁型２种．圆
弧型柔性铰链的运动精度较高，但转动范围相对较
小；直梁型柔性铰链有较大的转动范围，但运动精度
较差；而倒角型柔性铰链兼顾运动精度和运动范围
的优势 ］．本文设计了一种基于倒角型柔性铰链的
柔性铰链微定位平台的设计
第２２卷第２期 ２Ｏｌ４年２月 光学精密工程 ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．２２ ＮＯ．２ Ｆｅｂ．２０ｌ４
文章编号 １００４—９２４Ｘ（２０１４）０２—０３３８—０８
柔性铰链微定位平台的设计
马 立 ，谢 炜 ，刘 波 ，孙立宁
（１．上海大学机电工程与自动化学院，上海２０００７２；２．苏州大学机器人与微系统研究中心，江苏苏州２１５０２１；
３．哈尔滨工业大学机器人技术－９系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨１５００８０）
摘要：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。 关键词：微定位平台；桥式机构；平行板机构；柔性铰链；有限元分析；优化设计 中图分类号：ＴＰ２４２ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／（）ＰＥ．２０１４２２０２．０３３８
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｔａｇｅ ｗｉｔｈ ｆｌｅｘｕｒｅ ｈｉｎｇｅ
ＭＡ Ｌｉ’‘ ，ＸＩＥ Ｗｅｉ ，ＬＩＵ Ｂｏ ，ＳＵＮ Ｌｉ—ｎｉｎｇ ’。
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｓｏｏｃｈｏｗ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｕｚｈｏｕ ２１５０２１，Ｃｈｉｎａ；
211002151_二维并联跨尺度压电精密位移驱动平台研制
新技术新仪器2023年第43卷 第1期
二维并联跨尺度压电精密位移驱动平台研制
潘成亮，吴家豪，张婷，蒋衡，李维诗，夏豪杰*
（合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院 测量理论与精密仪器安徽省重点实验室，安徽 合肥 230009）
摘 要：多自由度跨尺度精密位移驱动平台在光学计量检测、半导体制造、生物医学工程等诸多领
域具有广泛的应用需求。针对串联多自由度压电驱动平台结构厚重的问题，结合压电柔性铰链机构和冲
击驱动原理，研制了一款结构紧凑的二维并联跨尺度压电精密位移驱动平台。通过有限元仿真和实验测
试验证其性能，结果表明：压电柔性铰链定子的静态位移为7.95 μm，固有频率为11.80 kHz。低频步进
位移和高频平滑运动测试表明：原理样机的步进位移分辨力为100 nm，平滑运动速度为4.96 mm/s，负载
力达到100 mN以上。原理样机基本满足多自由度跨尺度精密位移驱动的技术要求，在微纳光学检测等系
统中具有良好的应用价值。
关键词：压电平台；并联机构；冲击驱动；柔性铰链；步进位移；平滑运动
中图分类号：TB9 文献标识码：A 文章编号：1674-5795（2023）01-0154-07
Development of two-dimensional parallel cross-scale piezoelectric
precision displacement driving platform
PAN Chengliang, WU Jiahao, ZHANG Ting, JIANG Heng, LI Weishi, XIA Haojie*
(Anhui Province Key Laboratory of Measuring Theory and Precision Instrument, School of Instrument Science and
Optoelectronics Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)
压电叠堆泵微位移放大机构的试验研究
压电叠堆泵微位移放大机构的试验研究
刘登云，杨志刚，程光明，曾平
（吉林大学机械与工程学院，吉林长春１３００２５）
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａ Ｍｉｃｒｏ——ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｍａｇｎｉｆｙｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ Ｕｓｅｄ ｏｎ Ｐｉｅｚｏ——ｓｔａｃｋ Ｐｕｍｐ
ＬＩＵ Ｄｅｎｇ—ｙｕｎ．ＹＡＮＧ Ｚｈｉ—ｇａｎｇ。ＣＨＥＮＧ Ｇｕａｎｇ—ｍｉｎｇ，ＺＥＮＧ Ｐｉｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２５，Ｃｈｉｎａ）
摘要：提出了一种应用于压电叠堆泵的微位移 放大机构，该机构以压电叠堆（积层式压电微位移
器）为驱动元件，通过基于三角形放大原理的柔性铰
链放大机构，放大压电叠堆的输出位移。同时，设
计、研制了实验装置，并在试制样机上对其静、动态
特性进行了实验。实验测试结果表明，该机构具有 线性良好、高分辨率和高频响应等特点。
关键词：压电叠堆；放大机构；柔性铰链；三角形
放大
中图分类号：ＴＨ７０３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１—２２５７（２００７）０３—００７５一Ｏ３ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ｍｉｃｒｏ—ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ
ｍａｇｎｉｆｙｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｐｉｅｚｏ
—ｓｔａｃｋ ｐｕｍｐ，ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｗａｓ
ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ａｃｔｕａｔｏｒｓ．Ｔｈｅ
ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ａｃｔｕａｔｏｒ
ｗａｓ ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｆｌｅｘｕｒｅ ｈｉｎｇｅｓ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｂａｓｅｄ
ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｔｒｉａｎｇｌｅ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｔａｔ—
机械制造自动化
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｂｓｔｒａｃｔｓ（Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） ２００７Ｖｂ１．１３，Ｎｏ．２４ 刘鹏∥光学精密工程．一２００７，１５（６）．一 ８８４～８８８ 提出了一种应用于压电叠堆泵的微位移 放大机构，该机构以压电叠堆（积层式压 电微位移器）为驱动元件，通过基于三角 形放大原理的柔性铰链放大机构，放大 压电叠堆的输出位移．同时，设计、研 制了实验装置，并在试制样机上对其静、 动态特性进行了实验．实验测试结果表 明：该机构对压电叠堆输出位移的放大 倍数达到５倍，并且该机构具有线性良 好、高分辨率、高频响应等特点．由有限 元分析得到的固有频率达到了１．８ ｋＨｚ， 实际测量的固有频率为１．５ ｋＨｚ．图５表 ３参１３ 关键词：压电叠堆泵；放大机构；微位 移；柔性铰链；三角形放大 ０７２４０６６３ ４６０・４５ “Ｙ”形流管无阀压电泵振动分析及泵 流量计算：Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｕｍｐ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｏｆ ｖａｌｖｅｌｅｓｓ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｕｍｐ ｗｉｔｈ Ｙ—ｓｈａｐｅ ｔｕｂｅｓ［刊，中］／张建 辉（南京航空航天大学精密驱动研究所， 南京２１００１６），黎毅力，夏齐霄，路计庄 ∥光学精密工程．一２００７，１５（６）．一 ９２２～９２９ 为了解决医疗、卫生、保健领域进行细 胞或高分子等输送工作的需要，研制了 一种新型的压电泵——“Ｙ”形流管无阀 压电泵，并对其压电振子振动特性及泵 流量计算进行了研究．介绍了“Ｙ”形 流管无阀压电泵及其流管的结构和特 点；基于圆形薄板弯曲振动理论对压电 振子振动进行了理论分析；然后讨论了 泵及其流管内流体的流动特性，建立了 泵流量方程．最后，基于有限元法对流 管内流体流动状态进行了模拟，得到了 正反流压强变化规律及正反流流阻．实 验结果表明：理论泵流量与实验泵流量 变化趋势一致，且两者最小相对误差为 １２％，证明了理论分析与数值模拟的有 效性和正确性．图８表２参ｌ５ 关键词：压电泵；流阻； “Ｙ”形流管； 振动分析；流量计算：有限元法 ０７２４０６６４ ４６０・４５ 单振子双腔体无阀压电泵结构设计与机 理分析＝Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍｅｃｈａ— ｎｉｓｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ ｖａｌｖｅｌｅｓｓ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｕｍｐ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇｌｅ ｂｉｍｏｒｐｈ ａｎｄ ｄｏｕｂｌｅ ｃｈａｍｂｅｒｓ［刊，中］／吴丽萍（吉林大学机 械科学与工程学院，长春１３００２５），程光 明，曾平，杨志刚，吴银柱∥光学精密 工程．一２０ｏ７，１５（７）．一１０４４￣１０４８ 提出了一种单振子双腔体无阀压电泵， 应用小挠度弹性弯曲理论导出了圆形复 合压电振子的弹性曲面微分方程，分析 了采用一个压电振子形成两个工作腔体 压电泵的结构和工作机理，并与单振子 单腔体压电泵对比分析了该结构与输出 流量的关系．设计研制了结构独特、输 出性能更高的单振子双腔体无阀压电 泵，通过试验表明：单振予双腔体无阀 压电泵 Ｅ单振子单腔体无阀压电泵输出 流量有明显提高．图４参８ 关键词：单振子双腔体；无阀压电泵； 机理分析；输出流量 ０７２４０６６５ ４６０・４５ 磨粒分形维数与摩擦状态相关性的研究 Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｒａｃｔａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｗｅａｒ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｎｄ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔａｔｅ［刊，中］／黄传辉（徐州工程学院， 徐州２２１００８），夏晓雷∥中国机械工程． ２００７，１８（１３）．一１５９８￣１６００ 以４５钢一铜配副存浸油状态下进行磨损 试验，考察了不同磨损阶段磨粒群体分 形维数的分布特征，测量了多种磨粒表 征参数，并就各表征参数与摩擦力的关 联性进行了对比分析．结果表明：磨粒 群体中轮廓分形维数的分布呈正态分 布；磨粒分形维数相对于其他表征参数 而言，和摩擦力相关性更大，且两者呈 反比关系．图３表２参１３ 关键词：分形维数；磨粒；磨损状态； 相关性 ０７２４０６６６ ４６０・４５ 液压系统模糊故障树分析方法研究＝ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｆｕｚｚｙ ｆａｕｌｔ ｔｒｅｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ旰Ｕ，中］／姚 成玉（燕山人学，秦皇岛０６６００４），赵静 一∥中闺机械工程．一２００７，１８（１４）．一 １６５６～１６５９，１６７５ 针对液压系统底事件和中间事件发生概 率情况获取不足的现状，将模糊集合论 和可能性理论引入故障树分析法中，将 事件发生概率描述为模糊数和模糊可能 性，提出了一种基于梯形模糊数算术运 算的液压系统故障树分析方法，并结合 压装机液压系统的“主缸快进无法实 现”故障树分析应用实例，估计了出顶 事件的故障概率和各底事件的模糊重要 度．图３表２参１１ 关键词：压装机；液压系统；故障树分 析；模糊集合理论；可能性理论 ０７２４０６６７ ４６０・５０机械制造自动化 面向客户定制需求的产品配置系统＝ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｕｓｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｍａｎｄ阡Ｕ，中］／ 周宏明（江苏大学计算机科学与通信工 程学院，镇江２１２０１３），薛伟，李峰平， 詹永照，付培红∥农业机械学报．一 ２００７，３８（８）．一１３２～１３６ 基于客户的定制需求，面向大批量定制 环境下的产品设计问题，给出了实现大 批量定制的产品设计系统框架结构，并 对其中关键技术进行了研究．提出利用 面向对象技术进行构件设计，建立基于 构件的产品模型和配置流程，利用客户 定制需求与零部件构件属性之间的映射 关系进行产品配置设计，利用产品模型 和客户定制需求建立零部件构件的需求 参数，并给出需求参数匹配算法．该系 统框架结构和实现方法在农用水泵的配 置系统中进行了应用，效果明显．图３ 表３参７ 关键词：客户定制需求；产品配置；构 件设计；产品模型；需求映射 ０７２４０６６８ ４６０・５０ 基于遗传算法和模糊决策的大规模联盟 伙伴选择方法研究＝Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｐａｒｔｎｅｒ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＧＡＳ ａｎｄ ｆｕｓｓｙ ｄｅｃｉｓｉｏｎ．ｍａｋｉｎｇ旰Ｕ，中］／姜康（合 肥工业大学机械与汽车工程学院 合肥 ２３０００９），曹文钢，于振华∥系统工程理 论与实践．一２００７，２７（１）．一１６９～１７６ 为解决大规模的网络制造联盟合作伙伴 选择问题，在建立该问题数学模型的基 础上通过分析弓ｌ入遗传算法和模糊决策 理论，提出一种分阶段的伙伴选择算法： 通过遗传算法求解模型缩小选择的范 围，利用遗传算法的解通过模糊决策考 虑多个影响因素进行最后决策．对于该 方法给出了具体的求解步骤，并用算例 说明这种方法的可行性．这种分阶段的 伙伴选择算法充分利用了数学的工具和 决策者的经验，提高了决策的科学性和 合理性．图２表２参７ 关键词：模型；遗传算法；模糊决策； 伙伴选择 ０７２４０６６９ ４６０・５０ ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的多线程技术在数控 加工通信中的应用＝Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉ— ｔｈｒｅａｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ＬａｂＷｉｎｄｏｗ／ＣＶＩ ｉｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＮＣ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ 旰 ，中］／闰飞（西北工业大学机电学院， 西安７１００７２】，史耀耀，马正锋∥制造技 术与机床．一２００７，（８）．一１２０￣１２２ 利用多线程技术能够更好地开发并行性 任务和提高自动控制系统性能，在避免 阻塞，减少运行时间等方面具有明显的 优点．文章以ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ为开发 平台，利用多线程技术编写数控机床与 上位机的通信程序，对目前数控加工过 程中利用工控机的串口进行通信所产生 的阻塞状况有显著的改善．图２参３ 关键词：多线程；线程池；异步定时器； ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ；程序传输 ０７２４０６７０ ４６０・５０ 计算机支持协同工作的ＣＡＰＰ系统的 研究＝Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ＣＳＣＷ．ｂａｓｅｄ ＣＡＰＰ ｓｙｓｔｅｍ阡Ｕ，中］／陈桦（陕西科技大学机
一种层叠式柔性放大机构的设计与分析
第１２期 张虎翼等：一种层叠式橐洼放大机构的设计与分析 １１
陶瓷微位移制动器进行位移的输入，通过柔性环节的作用在输出
杆一半的部分进行位移的放大输出。 输出端
图２层叠式柔性机构 １冰平底板２．柔性薄臂杆３．输入杆４．输出杆
３平面柔性单元的设计分析
３．１理论分析
柔性结构的基本胜能主要包括刚度、精度及应力杼ｆ生等几方
面，其中刚度陛能直接反映了柔ｆ生机构抵抗外载的能力，是主要的研
究因素。由于层叠式柔陡结构各层之间结构—致，所以可以采用平面
式结构进行理论分析。通过对其平面单元进行分析，可以得到如图３
所示的力学模型，不计杆１拉伸变形，杆１弯矩如式（１）所示［６１。
图３半回菜性卑兀的力字模型 Ｍ。＝ －ｌ —Ｍｃ （１）
其中， ＝ＫＯｃ 式中： —柔性铰链转角； ：—柔性铰链旋转刚度。
杆２的弯矩和转角分别为：
＝Ｉ
Ｊ亩 ‘ ｃ， ‘０ ｋ
经过计算得，输入输出特征方程为：
ｓｎ＝（｝亩 ＋亩 ｚ） 一（｝亩 亩ｚ 一
（ 亩＋亩 （２）
设．ｃｌ＝岳＿，Ｃ２：酉ｌ２， ＝ １，Ａ＝
由于Ｍｃ＝ＫＯｃ，即 ，将 带入式（２）得： （３）
其中， ＝｝ １ ２ 疆１ ［ ＋４苦＋４每＋ ２导每＋Ｇ］
其中，ｃ＝４Ａ－３Ａ＋（４Ａ２—６Ａ＋６）每 Ａ 丢＋ｔ２鲁毒）
： ： 二！？兰： ：：竺 墨： 叁叁２
４Ａ－３Ａ￣＋（１２－８Ａ，每＋４Ａ导＋ ２导导
各个刚度对性能的影响，如图４所示。
（ａ）
（ｂ） 图４刚度对性能影响图
由上图可知，随着Ｃ，ＩＣ：值的增加，其放大倍数逐渐增大，性
能提高。当ＣｔｌＣｚ＝ｌＯ时，基本处于饱和状态，性能达到最佳。
当ＣＪＣｚ＝￣，即杆２左端简支：
Ｓｏ＝上２Ａ ３ Ｃ，２ ＡＣ＋３Ｃ 』１２ 一 ， １ ～Ｉ
（３＋Ａ一３ａ＝＿３ａ３＋２Ａ ）ｃ ＋６（２—Ａ—Ａ ）ｃ Ｇ
３ ＋３Ｃ３－２ＡＣ２
一１【３—３Ａ＋２Ａ‘）Ｃ２＋６Ｃ３ 一 一 丽～
压电舵机微位移放大机构设计
第３Ｏ卷第１２期 ２ ０ ０ ９年１２月 兵 工 学 报 ＡＣＴＡ ＡＲＭＡＭＥＮＴＡＲＩＩ Ｖｏ１．３０ ＮＯ．１２ Ｄｅｃ． ２００９
压电舵机微位移放大机构设计
于志远 一，姚晓先 ，戴闰志 ，吴松平
（１．中国运载火箭技术研究院第１８研究所，北京１０００７６； ２．北京理工大学宇航科学技术学院，北京１０００８１）
摘要：针对一种新型压电舵机的微位移放大机构，提出一种基于刚度分析的设计方法。阐述
了压电舵机的组成及工作原理，并推导出压电舵机数学模型，分析微位移放大机构结构参数对压电
舵机系统性能的影响，进而确定了柔性铰链的设计原则。对５种单轴柔性铰链的刚度特性进行分
析，得到了柔性铰链刚度比的变化曲线，并采用有限元分析的方法对微位移放大机构进行了参数优
化设计。仿真分析结果表明，该种方法对于压电舵机微位移放大机构的设计十分有效。
关键词：机械学；压电舵机；微位移放大机构；刚度
中图分类号：Ｖ２２７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００—１０９３（２００９）１２—１６５３—０５
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍｉｃｒｏ－Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｏｆ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｅｒｖｏ
ＹＵ Ｚｈｉ—ｙｕａｎ 一，ＹＡＯ Ｘｉａｏ—ｘｉａｎ ，ＤＡＩ Ｒｕｎ—ｚｈｉ ，ＷＵ Ｓｏｎｇ—ｐｉｎｇ；
（１．Ｔｈｅ １８ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｌａｕｎｃｈ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７６，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍｉｃｒｏ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｉｎ ａ ｎｏｖｅｌ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｅｒｖｏ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ