柔性铰链及压电驱动柔性铰链机构传动实现超精密定位
微纳米定位技术v3
磁致伸缩驱动器原理图
磁致伸缩驱动器
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磁致伸缩执行器与压电陶瓷执行器比较
推力：磁致伸缩执行器>压电陶瓷执行器 最大行程：磁致伸缩执行器>压电陶瓷执行器 位移分辨率：磁致伸缩执行器（纳米级）<压电陶瓷执行器（亚 纳米级） 响应速度：磁致伸缩执行器<压电陶瓷执行器 工作带宽：磁致伸缩执行器（几十Hz到1000Hz）<压电陶瓷执 行器
电致伸缩陶瓷执行器
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1.3 微位移传感器
微位移传感器主要有： ✓ 激光干涉仪 ✓ 电容式传感器 ✓ 电感式传感器 ✓ 应变式传感器 ✓ 光栅式传感器 ✓ ……
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1）激光干涉仪（laser interferometer）
原理：以激光波长为已知长度，利用迈克耳逊干 涉系统测量位移的通用长度测量。 优点：量程大，分辨率高，抗干扰能力好。 缺点：系统庞大，造价昂贵。
工艺过程控制系统
在极短的时间内精确控制工作区域内的温度、 功率、压力和流量等工艺过程参数。
光学检测系统
双目显微视觉对准、光栅相位对准、基于 CCD的预定位、……。
5
1.2 微纳米定位平台的组成
6
热场\气流场\静电场\磁场 多物理场及其耦合
应用领域
洁净环境(1~10万)等级
载荷大小
300mm
气浮 40kg 导轨
不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋 转电机按径向剖开，并展成平面而成。
用直线电机直接驱动后加速度可以达到2.5~6g。存在 齿槽效应和边缘效应所造成的力矩纹波，给控制带来了一定 困难。
直线电机工作原理
直线电机
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✓ 音圈电机（Voice Coil Motor）
音圈电机是一种特殊形式的直接驱动电机. 具有结构简单、 体积小、高速、高加速、响应快等特性. 其工作原理是, 通电线圈 (导体) 放在磁场内就会产生力, 力的大小与施加在线圈上的电流 成比例. 基于此原理制造的音圈电机运动形式可以为直线或者圆 弧.
精密与超精密制造-整理版
几个人合力找的一些答案，有些可能也不是太准确，可以结合泰杰上传的那份一起看！！！编辑：郑重超然宗毅沛军景森志勇仕炫宇健耀坚小强（精密加工装备部分）1.试论述精密制造装备在精密加工技术中的地位和作用。
精密制造装备是实现精密加工的首要基础条件。
制造技术装备的水平和质量，将直接影响生产技术水平的高低和经济效益的好坏。
（P1和P77）2.试列举您所熟知的国际上著名的精密机床研发、生产的机构或企业。
瑞士的Schaub-lin、前西德的Boley、美国Hardinge、美国Brown Sharp、美国LawrenceLivermore国家实验室、英国Cranfield Precision Engineering等（P77起）3.精密机床主轴有哪些基本要求？精密机床主轴要求达到极高的回转精度，转动平稳，无振动。
（P86)4.精密和超精密主轴的轴承主要采用何种轴承？为什么目前超精密机床主轴很少使用滚动轴承？精密和超精密主轴的轴承主要采用液体静压轴承和空气静压轴承。
很少采用滚动轴承是因为高精度的滚动轴承主轴是不易制造，要进一步提高主轴精度困难。
（P86）5.精密机床采用液体静压轴承时，为什么其推力轴承一般的两个相对的止推面做要做在轴的同一端？因为液压静压轴承工作转动时常产生较大的温升，若两个相对的止推面分别做在轴的两端，当温度升高时轴的长度增长，造成推力轴承间隙的明显变化，使轴承的刚度和承载能力显著下降。
（P86）6.试比较液体静压轴承和空气静压轴承都有哪些优缺点?○1液体静压轴承优点：较高的刚度和回转精度。
缺点：a、控制轴承油温保持恒温较难。
温度升高易造成热变形，影响主轴精度。
b、静压油回油时将空气带入油源，形成微小气泡悬浮在油中，不易排出，因此将降低轴承的刚度和动特性。
○2空气静压轴承优点：很高的回转精度，在高速转动时温升甚小，热变形误差小。
缺点：刚度低，能承受载荷小。
（P87）7.精密机床主轴空气静压轴承有哪些常用的结构形式?圆柱径向轴承、端面止推空气静压轴承、双半球空气轴承、前部用球形，后部用圆柱径向空气轴承、立式空气轴承、大平面铣床的主轴承。
基于柔性铰链的微位移放大机构设计
刚度是决定柔性铰链性能的重要参数。对于含有较 多柔性接头的机构和复合柔性铰链来说，理论估计有一 定的局限性。对于设计此类柔性铰链，有限元分析方法 是一种有效的设计方法。在本节，通过研究最常用的柔 性铰链——直圆型柔性铰链，并利用其成熟的理论公式 来验证有限元模型。
图 1 直圆型柔性铰链的结构图 Fig.1 Structure diagram of right circular flexure hinge
Table 1 Results of theoretical analyses and FEA
R(mm)
kx (N/m)×108 Analytic FEA Error%
kαz (Nm/rad) Analytic FEA Error%
2.0
2.59 2.36 8.92
10.05 9.71 3.41
2.5
2.1 理论推导
如图 1 所示的直圆型柔性铰链，其设计公式最先由
Paros 和 Weisbord[6]推导出来并讨论了在柔性铰链三个坐
标轴方向施加载荷所引起的转角和线性位移。吴鹰飞和
周海英[13]从基本材料力学出发推导了一组设计公式，其
结果在数值上与 Paros 公式相同。选择后者作为理论计算
的依据。
1引 言
作为精密机械与精密仪器的关键技术之一，微位移 技术随着微电子、宇航和生物工程等学科的发展而迅速 发展起来。柔性铰链以其无空回和无机械摩擦、运动平 滑以及分辨率高等优点广泛的应用在科研以及工业装置 中。这些装置包括微位移平台[1]、超精密机械加工[2]、微 夹持器[3]、加速度计[4]、陀螺仪、扫描隧道显微镜[5]、运 动导轨、导弹控制装置、高精度照相机、天线和阀等。
Kα z
【国家自然科学基金】_大行程_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
科研热词 高精度 驱动电源 精密定位 大行程柔性铰链 大行程 大功率 复合放大 压电陶瓷 pa93 间接测量 闭环控制 转角柔度 转动精度 超声电机 超声波直线电机 超声波电动机 角度误差补偿 螺旋理论 自动定位 纳米定位 柔性铰链 柔性机构 柔度矩阵 构型综合 有限元法 快速刀具伺服 工具显微镜 射影变换 宏微驱动 宏微二级驱动 大行程柔性机构 垂直轴 刚度模型 刚度 刀具轨迹跟踪控制算法 刀具路径 六自由度工作台 光栅 光学自由曲面 交叉轴解耦 二维细分 xy柔性并联微定位平台 psoc3 cortex-m4 cmac
2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45
科研热词 精密定位 显微视觉 力解耦 主从控制 逐步回归 运动规划 运动控制 运动平台 超精密工件台 超精密 自动标定 细分 纳米工作台 纳米 精度 磁悬浮导轨 硅片台 研究现状 直线电机 直线度 直线导向机构 电液振动台 正交实验法 柔性铰链 柔性机构 有限元分析 摩擦建模 摩擦力补偿 摩擦 惯性驱动 微驱动器 尺蠖运动 宏微双重驱动 宏/微双重驱动 双衍射光栅 压电陶瓷拨爪电机 压电旋转机构 压电技术 压电微动台 光栅 伺服阀 仪器仪表技术 二维位移工作台 两级驱动 roberts机构
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
科研热词 高分辨率 超磁致伸缩驱动器 膝关节 组合驱动器 纳米定位 箝位机构 移动策略 柔顺性 柔性铰链放大机构 柔性铰链 有限元法 最大应力 显微图像 数据采集处理 拼接 微位移检测 康复 尺蠖运动 大行程驱动器 大行程 多模式 参数辨识 压电驱动器 压电陶瓷驱动 前馈控制 刚度 伪刚体模型 串联柔性机构 三维位移系统 pid控制 labview ccd标定
微位移机构的现状及趋势
微位移机构的现状及趋势程颖【摘要】微位移机构是精密机械和精密仪器的关键部件之一。
介绍了一些典型的微位移机构的结构、原理、特点和应用, 并对这些机构进行了比较。
关键词: 微位移机构; 扭轮摩擦传动; 直线电机; 弹性变形; 柔性铰链; 压电陶瓷【 Abstract】The micro-motion mechanism is one of key components of precision machinery and precision instrument.Introducesstructure,principle,characteristics and applications of some typical the micro-motion mechanisms.The comparison among these mechanisms are carried out.Keywords: Micro- motion mechanism; Torsion wheel friction transmission; Linear motor ; Elastic deformation; Flexible hinge; Piezoelectric ceramic当前随着科学技术的迅速发展, 尤其是在微电子技术、宇航、材料、生物工程等学科的发展, 对精密机械和精密仪器的精度及灵敏度要求越来越高。
例如, 在材料学科中, 科学家们为了探测材料表面的原子结构, 甚至将其原子结构做重新排列, 对于相应的操作精度要求达到了亚纳米级。
[1]1 机械传动式微位移机构机械传动式微位移机构是一种最古老的机构, 在精密机械和仪器中应用很广, 其结构形式较多, 主要有螺旋机构、杠杆机构、契块凸轮机构以及它们的组合机构。
但因机构中存在机械间隙、摩擦磨损以及爬行现象等, 所以运动灵敏度和精度都很难达到高精度, 所以该机构只适宜于中等精度。
3—RPS柔性并联定位机构运动学分析与仿真
3—RPS柔性并联定位机构运动学分析与仿真作者：孟彩茹等来源：《科技创新与应用》2014年第04期摘要：对具有空间三自由度的3-RPS柔性并联定位机构进行了运动学分析及仿真。
首先，以3-RPS并联机构为基础，将机构中的运动副用柔性铰链代替，研制了一台具有三自由度的精密定位机构；其次采用“伪刚体模型”方法将该精密定位工作台等效为伪刚体模型，利用齐次坐标变换方法和矢量闭环方法构建其逆运动学模型；最后，利用软件RecurDyn进行仿真分析，测量出其位移与速度随时间的变化曲线进行验证。
结果表明所建立的机构理论模型合理，且机构具有良好的运动学性能。
关键词：柔性并联机构；伪刚体模型；运动学引言随着纳米技术的兴起与迅猛发展，具有高分辨率和高精度的超精密定位机构在近代科学的研究领域以及尖端工业生产中都扮演着越来越重要的角色，它的各项技术指标已经成为各国高新技术发展水平的重要标志[1]。
运动学分析是机械系统分析中的首要问题。
并联机构的运动学分析主要包括求解机构的输入与输出构件之间的位置、速度以及加速度的关系[2]。
全柔性机构的首要目标就是精确实现所需的运动，因此对其运动学的研究在机构学领域占有重要的地位[3]。
1 机构描述如图1所示为3-RPS空间三自由度柔性并联定位机构的仿真模型。
该机构的定平台与动平台通过三条完全相同的RPS支链相连。
压电陶瓷驱动器位于三个平行板式柔性铰链中，通过平行板式柔性铰链的变形来带动与之相连的杆件进行运动，从而达到驱动整个柔性并联机构实现空间运动的目的。
2 建立伪刚体模型及分析普渡大学的Her I为了体系化的研究柔性机构问题，提出了“伪刚体模型”的概念，该方法是将柔性杆与柔性运动副等效简化为相应的刚性杆、刚性运动副所组成的纯刚性模型，再利用刚性体结构学及运动学对机构进行分析和综合[4]。
2.1 机构自由度计算2.2 运动学逆解分析用封闭向量表示，如图3所示2.3 速度分析3 基于RecurDyn的运动学仿真3.1 基于ANSYS创建*.rfi文件在ANSYS软件中基于CMS生成RFI文件包括如下四步：（1）在ANSYS中建立有限元模型：用SOLIDWORKS软件建立柔性铰链实体模型，将其导入ANSYS里，选择求解精度较高的Solid45单元，它是一种高阶单元，适于各种较复杂的实体模型。
机械毕业设计627二维步进单片机控制工作台控制系统设计
摘要如今，由于工作台操作简单，精度高，能够满足一般生产需求。
正因为如此，所以它广泛应。
本文主要研究的是两维步进单片机控制工作台的控制部分。
主要的任务就是用单片机实现两个步进电机的正反转和速度的控制。
本控制系统可以由键盘输入运行的步数，由LED 管显示，信号经单片机转换，采用软件对信号进行环形分配，利用光电隔离器进行光电隔离，经功率放大器进行信号的放大，用放大的信号来驱动步进电机的运行。
由各个功能键控制系统的运行，按启动键后，步进电机按照输入的步数进行走步；如在运行期间按停止键，则步进电机停止运行。
工作台的两头都有行程开关，如果超出了极限位置，行程开关闭合，步进电机停止转动，并且蜂鸣器报警。
关键词：工作台；步进电机；单片机AbstractNowadays, The workbench is easy to operate, the precision is high, and it can meet the generally production demand . Just because of this,so it is widely used.Main research of this paper is that the part of control of the two-dimension stepping single-chip microcomputer control workbench. The main task is to realize two stepping motor’s rotating positive and negatively and control of pace with single-chip microcomputer. The running steps are input by keyboard in this control system, displayed by the LED tube. The signal is transformed by single-chip microcomputer . The signal Loop allotter is achieved by software. The photoelectricity seclusion is achieved by Electro-optical disconnector. The signal is enlarged by power Amplifier. Then the signal can run the stepping motor. The system’s run is controlled by functional keys. Stepping motor will run to the given steps if the “start”key is pressed. Meanwhile, stepping motor will stop if the “stop”key is pressed. There are limit switches on the two heads of the workbench, if the workbench go beyond the terminal position, the limit switch is off, the stepping motor will be stop at once, and the buzzer scream.Keywords workbench stepping motor single-chip microcomputer1 绪论 (1)1.1课题研究的背景 (1)1.2工作台的发展现状与方向 (1)1.3本课题研究的范围和意义 (3)1.4步进电机的发展现状 (3)1.5单片机的发展现状 (4)2 控制系统的总体设计 (6)2.1系统总体方案 (6)2.2机械系统 (6)2.3 控制系统设计 (6)2.3.1接口设计 (6)2.3.2控制方案的选择 (7)2.3.3伺服系统设计 (7)3 控制系统的设计方案 (8)3.1 硬件系统设计 (8)3.1.1系统的硬件结构 (8)3.1.2步进电机 (8)3.1.3微处理器的选择 (15)3.1.4键盘操作的接口电路设计 (17)3.1.5显示部分操作的接口和电路设计 (21)3.1.6 报警电路的设计 (24)3.1.7 单片机与PC机的通信 (25)3.1.8系统的抗干扰设计 (26)3.2 软件系统设计 (28)3.2.1 软件结构设计 (28)3.2.2系统的程序流程 (29)结论 (40)致谢 (41)参考文献 (42)附录................................................................................................................. 错误!未定义书签。
二维柔性铰链机械设计及特性分析
上 一 （ ）
ｆ一Ｅ（ ０ Ｊ ）
（ —２ ２ ）
３ 双柔性平行四杆机构工艺设 计 二维柔性工作 台的运动机构能有效地消除运动方 向之 间 的交叉耦合影 响，从而实现运动方 向上的直线运动 ，同时应 具有 良好 的定位精度和重复定位精度 。
图 ２—２ 单轴 柔性铰链 转角刚度计算 图 由于 曲线 ｙ ＝ｆ（ ）上任 意一点的曲率 为 ： ｘ
九 江 职 业 技 术 学 院 学 报
１ ２
２ ０ ４ ０ ６．
Ｊｕｎ ｌ ｆ ｉ ｉ ｇＶｃａｉｎｌ Ｔｅｈ ｉ ｌ ｏｌ ｅ ｏ ｒ ａ ｏ ｕ ａ ￣ ｔ ａ ＆ Ｊ ｊｎ ｏ ｃ ｎｃ ｌ ｇ ａＣ ｅ
二 维 柔 性 铰 链 机 械 设 计 及 特 性 分 析
王 敏
11微动平台控制结构框图柔性铰链结构及其力学性能分析柔性铰链是柔性支承运动机构的基本构成单元是一种圆弧切口结构通常是在一块刚性较好的金属材料上用线切割的方法加工出孔和缝隙使圆弧切口形成弹性支点并通过它把绕轴作复杂运动的有限角位移转换成柔性支承系统的直线运动
维普资讯
割的方 法加工 出孔和缝隙 ，使圆弧切 口形成 弹性 支点 ，并 通 过它把绕轴作 复杂运动的有限角位移转换成 柔性支承系统 的 直线运动 。图 ２ 一ｌ为单轴双弧柔性铰链的外形 图。
ｙ
图２ —１ 单轴双弧柔性铰链的外形图 ２ —１ 柔性 铰链转角刚度公式推导 在 图 ２—１中 ，力矩 使柔性 铰链发 生 了 ０ 角度 的微小 角
Ｍ ｅ ｈ ｎ ｃ ｌＤｅ ｉ ｎ ａ ｄ Ｃｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ Ａｎ ｌ ｓｓｏ ａ ａ ｅ ｉ ｌ ｎ ｅ ｃ ａ ｉａ ｓｇ ｎ ａ ａ ｔ ｒｓ ｉ ａ ｙ ｉ ｆＰｌ ｎ ｒ Ｆｌｘ ｂ ｅ Ｈｉ ｇ
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压电元件
在工程技术中应用较普遍的是由压电陶 瓷材料制作而成。通常选用压电常数较 大的层叠式压电元件获取微变形 , 它的线 性比较优良 , 且具有体积小、刚度大、形 变相对较大、位移分辨率高和响应迅速 的特点。
柔性铰链
由柔性铰链构成的柔性铰链机构结构紧 凑、传动关系明确、无传动空程 , 并且无 摩擦，最适合与压电元件组成微小型结 构简洁、频响高的超高精度定位工作台。 同时柔性铰链机构还可放大压电致动器 的位移，并提供适当的预紧，避免压电 致动器承受拉应力。
超精密机械加工
运动范围为 200lm ，垂直刚度为 6.0N/lm, 频响为364Hz。
光学自动聚焦
采用压电驱动、柔性铰链机构传动的自 动聚焦系统的重复精度达到0.35lm，能对 放大倍率为 100的物镜聚焦。而用传统的 步进马达驱动，滚珠丝杠传动来定位， 精度仅为1lm左右，物镜的放大倍率也被 限制在40 左右。
Thank you！
Hale Waihona Puke 柔性铰链与压电致动结合的应用
超精密定位工作台 超精密机械加工 打印头 光学自动聚焦 压电马达 主动式径向空气轴承 微夹持器
柔性铰链机构超精密定位
压电元件作为驱动装置 柔性铰链机构作为传动装置
压电效应
压电效应源于压电晶体，当此类电介质 晶体外加机械载荷时，晶体内部的正负 电荷中心发生相对位移而产生极化，导 致晶体两端出现符号相反的束缚电荷。 反之，如将具有压电效应的电介质晶体 置于电场中，由于电场的作用而引起电 介质晶体内部正负电荷中心产生相对位 移，致使压电晶体发生形变，晶体的这 种现象称为逆压电效应。
单驱动多自由度运动机构的原理
蠕动式运动的原理
图中底板为导磁材料，在多自由度运动机 构的固定端 O 以及运动块A、B 和C 上分别 安装电磁夹紧机构。
蠕动式运动的原理
蠕动式运动的原理
1、固定端O的电磁夹紧机构吸附(通电)， 运动块A 上的电磁夹紧机构松脱(不通电)。 2、压电元件 P 加压伸长。 3 、运动块 A 上的电磁夹紧机构吸附，固 定端O 的电磁夹紧机构松脱。 4、压电元件 P 减压收缩。
结论
单驱动多自由度运动机构使超精密定位工 作台的结构紧凑 蠕动式的运动原理实现多自由度运动和大 行程运动 单驱动多自由度运动机构的柔性铰链机构 采用对称设计以实现运动导向功能 用铍青铜 QBe2制作柔性铰链机构，选用铁 镍合金1J50制作电磁夹紧机构和底板 平面工作台的总体尺寸为20 mm x20 mm x 12 mm。
柔性铰链
在超精密定位中较多采用的是圆弧型柔 性铰链，如图1所示，它运动精度较高， 但转动幅度小。
超精密测量
1978 年美国国家标准局开发了用于光掩 模线宽测量的微定位工作台。
微定位工作台工作原理
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。
超精密机械加工
在精密连接工艺如激光焊接中，需要较 大运动范围、结构紧凑、高刚度、垂直 运动的精密工作台。
柔性铰链传动机构的对称设计
为了确保运动块A无偏转地沿X方向运动和 运动块B无偏转地沿Y方向运动，就必须对 它们进行导向。
平面微小型工作台
结论
压电元件具有体积小、刚度大、位移分辨 率高和响应迅速的特点。由柔性铰链构成 的柔性铰链机构结构紧凑、传动关系明确、 无传动空程,并且无摩擦。压电元件和柔性 铰链机构结合在超精密测量、超精密加工 和光学自动聚焦等超精密定位领域得到应 用。
柔性铰链及柔性铰链机构超精 密定位
柔性铰链的概念
一般描述为：在两部分刚体之间薄弱的 柔顺机构，通常可以实现两端刚体之间 相对微小的转动。但随着新型柔性铰链 不断的出现，已经使柔性铰链不仅仅限 于实现绕单一轴线转动。
柔性铰链的类型
圆弧型柔性铰链 板梁型柔性铰链
球副型柔性铰链
柔性铰链的特点
运动范围极其微小 简化结构、免于装配，易于实现小型化 无间隙和摩擦，提高重复定位精度 易于驱动器集成，高运动灵敏度、高运动 分辨率 可靠性高,，使用寿命长 免于润滑，避免污染