（机械制造及其自动化专业论文）多自由度微位移工作台的研究.pdf

多自由度微位移工作台的研究 摘要 本文是“多自由度压电式微位移机电系统研究”课题的重要部分之。在收 集了大量微位移工作台方面的资料的基础上，本文对国内外的研究现状做了介 绍；对常见的微位移系统中的机构和驱动器做了阐述和比较；还对微位移系统的 评价标准做了较全面的总结。在第二章和第三章中，采用了具有单一方向运动面 无耦合运动的采用柔性铰链的双平行四杆微位移机构和采用柔性铰链的单平行 四杆微位移机构，制定出了一种三自由度( x y - 9 ) 工作台的设计方案。并针对 所用两种微位移机构推导了它们的受力变形公式建立了微位移工作台转动单元 的优化设计模型，对原设计参数做了改进。另外，本文还运用了有限元模拟软件， 对微位移工作台转动和平动单元做了详细的分析，研究了主要力学性能。 在设计出工作台具体结构后，应用有限元法分析了制造误差，制定了一套可 靠的工艺方案，成功地制造出样机。 本文第五章中，利用了一套测试装置分别测试了三个自由度上驱动力和位移 的关系，验证了理论研究和设计的正确性i 另外，还测试了驱动器在安装前后的 特性，为本课题的进一步研究打下良好的基础，最后一章对目前己完成的设计和 研究工作做了总结。 关键词：微位移工作台有限元设计和分析测试 s t u d y o n m u l t i p l ed e g r e e s o ff r e e m i c r o d i s p l a c e m e n ts t a g e a b s t r a c t t h i st h e s i si so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t so f s u b j e c ts t u d yo n & d t i p t ed e g r e e so f f r e e d o m ( 。g l u l t i d o f ) p i e z o e t e c t r i c3 , 1 i c r o d i s p l a c e m e n te l e c t r o m e c h a n i c a ts y s t e m 。 i nt h et h e s i s m a n yd a t ao nm i c r o d i s p l a c e m e n ts t a g e sh a v eb e e nc o l l e c t e d ；t h e i rs t u d y s t a t u sa th o m ea n da b r o a dh a sb e e ni n t r o d u c e di nb r i e a n ds o m ec o n t r 0 1e l e m e n t s a n dm e c h a n i s mi n m i c r o d i s p l a c e m e n ts y s t e m h a v eb e e ns u f f i c i e n t l ys t a t e da n d c o m p a r e d ，i na d d i t i o n ，e v a l u a t i o nc r i t e r i o no fm i c r o d i s p l a c e m e n ts y s t e mh a sb e e n s u m m a r i z e d i nc h a p t e r2a n dc h a p t e r3 ，t h eb l u e p r i n to f3d e g r e e so ff r e ex y _ e 1 d i s p l a c e m e n ts t a g ei sl a i do u t , a p p l i e d t w ok i n d s o f f l e x u r a l - - h i n g em i c r o d i s p l a c e m e n t m e c h a n i s m ( i e ，s i n g l ea n d d o u b l e p a r a l l e lf o u rb a r s ) t h el a t e rm o v e so n l yi ns i n g l e d i r e c t i o nw i t h o u to t h e ra d d i t i o n a lo n e b a s e do i lt l l e s t u d yt h ea u t h o ri m p r o v e st h e s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o fr o t a t i o n s t a g eb yo p t i m i z a t i o nm o d e la f t e rd e r i v i n g i t s f u n c t i o no fd i s p l a e e m e n tu n d e rf o r o e t h j st h e s i s a p p l y i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e a l s os t u d i e sa n da n a l y z e sm a i nm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f s t r a i g h td i s p l a c e m e n ta n d r o t a t m n s t a g e s f o l l o w i n gd e s i g n ，a c c o r d i n gt o as a f ea n df e a s i b l ep r o c e d u r e ，s a m p l eo ft h i s m i c r o d i s p l a c e m e n ts t a g ei ss u c c e s s f u l l yp r o d u c e di no r d e rt os t u d yp e r f o r m a n c eo f 碴em e c h a n i s ma f t e ra r i a l y z i n g 矗j ee r r o ro f p r o c e s sb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d i nc h a p t e r5 ，t 1 er e l a t i o n s h i po f f o r c ca n dd i s p l a c e m e n ti ne v e r yd o fi st e s t e db y as e to fe x p e r i m e n te q u i p m e n t ，a n dt h ev a l i d i t yo ft h et h e o r ya n dd e s i g nh a sb e e n t e s t i f i e d o t h e r w i s e t h ec h a r a c t e r i s t i co f 也ed r i v e r so f fa n do nm e c h a n i s mh a sb e e n t e s t e df o rag o o db a s i so ff l l r t h e rs t u d y t h el a s tc h a p t e rc o n c l u d e s 血ed e s i g na n d s t u d y , w h i c h h a v eb e e nd o n e k e y w o r d s ：m i c r o - d i s p l a c e m e n ts t a g e ；f i n i t ee l e m e n t ；d e s i g na n da n a l y s i s ；t e s t 独创性声明 本人卢删所曼交的学位论文是本人在导师指导f 避行的研究工作及取得的研究成震。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 佥壁；e 些丕堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料a 与我一厨_ 1 ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明弗表示谢 意。 学位论文作者签名 菱t 签字目飙抄羼，月b 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁= e 些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权台肥 ：i ：些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 操燕专 签字日期：五r 弓年，月2 日 导师签名： 施踺 签字日期：寥叼年，月2 日 黧彳磊第缴羔州咖一 立篓蒜呷i 州霸主主加加磺谤两羔州唧一一 nblr，j 规 u ，门u 致谢 在作者三年的学习期间，得到了导师沈健副教授悉心的指导，是 他把我引入了机电工程的学科前沿，在学习生活等方面给了我极大的 关怀和帮助。沈老师渊博的知识，精辟独到的见解，严谨务实的治学 态度，勇于进取的开拓精神，为我树立了做人、做事的楷模，将对我 今后的学习和工作产生深远而有益的影响，将永远激励我奋发嘲上。 在此，特向沈老师致以最深的感谢和最诚挚的祝福。 同时，衷心感谢合肥工业大学机械与汽车工程学院赵韩教授和高 荣慧副教授，还有真空教研室的陈长琦副教授和其他老师，感谢他们 在课题进展及论文写作方面的指导和无私的帮助。 在此也感谢我的室友周强、刘栋同学以及和我一道学习、工作的 周连廷、叶进星等同学在学习工作上给予我诸多的帮助和有益的探讨。 同时也感谢朱仁胜和石鸽娅同学在课题研究工作中的合作与帮助。 特别感谢我母亲和哥哥姐姐对我多年以来的关心、鼓励和支持。 是他们帮我克服困难，使我不断前进。 最后，感谢这几年在各方面帮助和关心我的领导、同事和亲朋好 友。 姚燕生 2 0 0 3 年1 0 月于合肥 第一章绪论 众所周知，2 1 世纪的机械行业是以信息为主导的。机械工业从涎生到现 在已有2 0 0 多年，期间经历了四次产业革命：第一次产业革命是蒸汽革命( 1 8 世纪3 0 年代开始) ，这时的机械主要是以蒸汽为动力的纺织机械、交通运输 机械和加工机械，基本上是纯机械；第二次产业革命是电气革命( 1 9 世纪3 0 年代开始) ，这时的机械是以工作母机为代表的机械电气相结合的机械；第三 次产业革命是电子革命( 2 0 世纪中叶、二次世界大战以后开始) ，这时的机 械是以汽车为代表的自动化机械；新的产业革命( 有人称为第四次产业革命) 是高新技术革命( 2 0 世纪7 0 年代开始) ，与之相适应的机械是信息化的机 械。目前，信息科学技术( 包括微电子、光电子科学技术) 、生物科学技术 ( 包括生命科学技术) 、新能源科学技术( 包括核能科学技术) 、新材料科学 技术( 包括纳米科学技术、材料加工技术) 、航空航天科学技术( 包括空间及 军事科学技术) 、先进制造科学技术( 包括微机电系统科学技术) 等高新科技 领域是发展的重点 ”。这些领域的工作都离不开机电设备和机械制造工艺。当 今是信息时代，信息化、网络化、集成化、智能化己渗入到机械行业之中，信 息产业、生物科学、纳米技术、航空航天技术的每次提升都建立在机电设备、 仪器的改进之上。机械和电子早已成为孪生兄弟，现今，不但机械设计、机械 制造及自动化、机电工程、车辆工程、精密仪器、模具设计、过程装备等专业 相互覆盖，各学科可统称为大机械，而且机械工程和航空航天、电子和计算机 科学技术、生物食品、环境、医疗等领域的关系也越来越密不可分。 关于机械行业的发展，著名机械专家朱剑英教授指出了它的趋势以智 见长，以微见著。由此可见，机械领域中精密操作、微机电系统工程和微纳米 技术已处于至关重要的地位。 1 1 微位移机电系统研究现状 1 1 1 微位移机电系统简介 微位移机电系统( m i c r o d i s p l a c e m e n te l e c t r o m e e h a n i e a ls y s t e m ) ，是实 现微小精密移动的机构和控制的执行系统，这种系统在超精密测量定位、微细 加工，特别是对生物医疗领域中的d n a 处理、细胞解剖、精细手术方面有重 要的作用，并能产生巨大的社会、经济价值。这一领域中的技术( 通常称为微 位移技术) 与扫描探针显微技术、微米和纳米技术的密切相关“，是纳米测 量、纳米加工和实现原子操作的前提和基础，是精密仪器和设备的关键技术 3 , 4 1 。 实现微位移的方法有多种，根据形成微位移的机理，可以分为两类：机 械式和机电式。 机械式主要是通过机械机构来缩小输入位移，常见的有传动减速式机构 如：杠杆、丝杆、楔块、凸轮、齿轮、蜗轮等机构( 或组合机构) 和弹性缩小 机构来缩小输入位移提高分辨率，达到微米甚至更高的亚微米级。 机电式是利用各种机械原理、材料特性和物理原理把其他可控的物理量转 化为位移量。主要有电热变形式，电致或磁致伸缩式，压电陶瓷式，形状记忆 合金式。通过机械结构和材料的特性，再应用电气电子技术制作出各种微位移 装置，不但可以得到很高的位移精度( 纳米级或亚纳米级) 而且可以快速准确 地控制。通常我们所说的微位移机电系统就是指这一类。 微位移机电系统的组成如图1 1 ，包括微位移机构、检测装置和控制系统 三大部分 5 1 。其主要特点是行程小( 微米级) 、灵敏度和分辨率高( 亚微米、 纳米级) 。 图1 1 微位移系统的组成部分 1 1 2 微位移机电系统的研究现状 机械式微位移机构在早期已得到广泛发展和应用，但大多因结构复杂、体 积大、不便控制而具有一定的局限性。机电式微位移机构较单纯的机械式机构 有明显的优势，特别是其结构紧凑、体积小、无间隙、无磨损、无爬行现象、 控制简单、分辨率高的优点使其成为科学界研究的主流。目前的微位移机电系 统的研究己从单自由度向多自由度发展，由微米级精度向纳米、亚纳米级发 展。对该领域的研究已形成了一门专门技术微位移技术。 随着科技的发展，微位移技术在光学、电子、航空航天、机械制造、机器 人、生物医学等领域内都有极为重要的地位。 在微位移机电系统方面，国外的研究起步较早，并取得了一定的成果。典 型的应用实例有：在美国，l o d t m 机床上的快速刀具伺服机构，在1 2 7 微 米范围内分辨率可达2 5 纳米，响应频率为1 0 0 h z ；m i c r o n i x 公司的6 自由度 压电驱动式机构( 分辨率为o 0 2 微米) 可应用在x 射线曝光机上：h p 公司、 y o s e m i t e 和b u r l e i g h 公司利用不同的方法都制造出了两个或两个以上自由度 的微位移机电系统；值得一提的是n b s 公司的产品分辨率可达l 纳米。在f l 本，只立公司将压电式微位移机构( 精度为o 0 5 微米和o 5 5 1 0 4 t a d ，行程 为8 微米) 成功用于电子曝光机；f 1 本的东北大学采用柔性支撑和电磁驱动的 装置应用于图形发生器 s , 7 , s j 。 在我国，对微位移技术的研究和应用也有很多，微位移机电系统的研究成 果有上海电气科学研究所采用滚珠导轨、压电器件驱动的装置应用于图形发生 器；哈尔滨工业大学可使车床刀具的微进给量达到o 0 1 微米，他们研究的微 机器人操作器更是为微位移技术应用开辟了新的方向；清华大学的研究成果有 应用在自动分步照* h * j l 上的滚珠导轨、压电式驱动的微位移系统；广东工业大 学开发了可进行微雕刻的m r - 2 微型机器人【7 t 。国内还有长春光学精密机械 研究所、天津大学等单位在微位移机电系统方面有较深的研究。 1 2 本课题研究的来源、意义和目的f 9 我国在微纳米技术和精密机械领域和发达国家还有较大的差距，特别是在 微位移机电系统方面，不论在器件材料的研究还是具体应用上都处于落后地 位。 在今天，纳米技术、微电子技术和微光机电系统技术飞速发展对其相关 的设备和器件都提出了更高的要求，需要精度更高、稳定性更好、尺寸更小的 精密设备来保证。在生物医学方面，如对单个细胞的操作，还有航空航天和涉 及多个领域的显微镜技术无不依赖微定位和微操作技术和仪器。根据大量资料 显示，微位移技术及其产品在军事、航空航天、生物、医学、工业、农业等多 个领域有广泛的应用，发展微位移技术有利于当今高新技术的发展，有利于国 家综合实力的提高，无论是在今天，还是在将来都有重要和深远的作用和意 义。 正是因为微位移技术以及仪器的研究和制造有巨大的意义，所以此项技术 的研究是当今科技界的一个热点。我们的目标是研究并制造出能够实现三个自 由度的微位移机电系统( 在本文中即多自由度微位移工作台) ，该系统可产生 受控的小于微米级、可望达到亚微米级的微移动或相应数量级的角位移，相对 同类产品有更好的稳定性、较高的精度且控制简单，更具有研究和应用价值。 1 3 本课题主要研究内容和本文内容安排 为达到上节本课题所希望达到的1 9 的，本文将涉及以下几个方面： 、分析微位移机构的结构没计。设计什么样的结构能有效地将驱动元件的 动作转变为所需要的微移动或转动，采用什么样的连接才能获得需要的自 由度和运动。 二、驱动元件的选取和研究。先比较各种驱动器的特性，根据以往的研究和 压电材料的特性，我们选择磁致伸缩式微位移驱动器作为驱动单元。测试 和分析此类驱动器在安装前( 自由态) 和安装后( 有负载) 的特性变化。 三、采用什么样的结构设计方法和数据处理方法，包括结构的尺寸如何设 计，怎样对系统设计做优化改进和调整。 四、使用什么样的测量和控制方法对微位移系统输出和输入量进行测控。搭 建实验装置测量微位移、驱动力等，建立一个控制系统可以使微位移工作 台可靠地实现微移动和转动，并具有高的精度和分辨率。 根据本课题的所要研究的内容、课题的进展和本人的研究情况，本文的框 架如下图： 有限元法 优化设计 绪论 微位移工作台总体设计方案 现代设计方法 计算机辅助技术 微位移工作台的设计 建模与优化 微位移机构的加工制造和系统设计 微位移工作台的机械 性能测试 总结和展望 a n s y s m a t l a b 图1 - 2 本文主要内容的框架 第一章对机械行业的发展方向和微位移机电系统的研究现状做了阐述，对 本课题的来源、研究内容、目的和意义做了简单介绍。在第二章中，对我们要 设计的微位移系统进行总体构思，提出选用的结构和器件；运用现代设计方 法，就在设计中要应用的先进的设计方法有限单元法和最优化方法的理论作了 简要介绍。第三章紧紧承接于第二章，运用计算机辅助设计技术( 用到了 4 a n s y s 、m a t l a b 等软件工具) 对结构形状尺寸做了设计和优化，并用有限 元软件模拟实验得到正交试验表、应用表中数据进行回归分析。这一章是全文 的重点。第四章，简要介绍微位移机构的加工制造和驱动部分的安装。第五 章，在微位移工作台的机构和器件都布置完毕后，具体的控制测试系统建立和 研究以及实验结果的分析也是本课题的重点和难点，也是本文的重要部分。在 最后一章，对全文和目前的研究成果作了小结，并对下一步工作做了展望。 第二章微位移机电系统设计方案 2 1 微位移机电系统的基本介绍 2 1 1 徽位移传动机构 在前面的章节中，我们根据微位移机电系统的介绍可知微位移系统主要由 驱动器和微纳米级位移传动机构组成，通过控制输入量，使驱动器产生的形变 经机构传动成为一种可控的输出位移或运动。驱动器产生原始动力和位移，传 动机构的作用是将驱动器十分微小的形变予以传递且增幅或减幅，满足系统所 要输出位移或运动的要求。根据微位移的驱动器不同可把微位移机电系统分为 许多种，可以参见2 1 3 节。若不考虑驱动部分的驱动器特性和形式，根据微 位移机构的类型也可分为许多种，下面是根据机构特性分类： 一、从达到位移的特性来看 常见的机构实现的微位移有一定的范围( 一般- 5 0 微米) ，以微定位工 作台为主要形式。对这种类型机构研究最多，本课题研究即属于此类。这类机 构大多有导轨导向和支撑，系统刚度好、控制简单、运动精度高、稳定性好。 另一种是具有蠕动特性的机构，通过与外界力的作用和能量交换或转化，使系 统整体产生爬行，此系统尺寸一段较小，有尺蠖式、圆管式、叠片式及蚯蚓 式，它们属于微机电系统( m e m s ) 的一种【i 。例如：美国b i 公司为解决压 电陶瓷器件移动范围较小的不足，研制成三个压电元件组成的尺蠖式机构。浙 江大学研究的泳动微型机器人。 二、导轨形式来看 导轨有气浮式、液浮式、滚动式、滑动式、弹性导轨式和无导轨式。其 中，弹性导轨的一种重要形式就是柔性铰链为基本单元的支撑导轨。滚动式、 滑动式导轨在普通机械如机床刀架和工作台最为常见，滚动导轨结构复杂、制 造困难、抗震性差、易脏不太适宜微动工作台【l l 】，气浮式、液浮式导轨在一 些特殊的装置中有所应用。 导轨形式的选择对微位移机构的定位精度和位移分辨率有重要影响，微 位移误差可用下式确定l 】2 j ： ：型益 ( 2 。1 ) 定 f 系统摩擦表面静摩擦力 尸，系统摩擦表面动摩擦力 足一运动系统韵刚度 柔性铰链支撑导轨具有无机械摩擦、无间隙、加工简单及运动灵敏度高等 优点，从式2 1 可见其定位误差极小，是理想的导轨形式。 三、从机构可实现的自由度看 最早研究的机构为一个或两个自由度，后来发展到以3 自由度为主的多自 由度机构，还有6 个自由度的形式。 一个自由度的微位移机构体积小、控制简单，广泛应用在微进给机构上， 在精密加工机床上发挥着巨大作用。两个自由度和三个自由度机构可实现平面 和空间定位，在精密定位、航空航天、生物医学、扫描隧道显微镜等领域有广 泛应用。两个自由度和三个自由度机构范例【1 3 , i 4 , t 5 】如图2 ，l ，2 ，3 0 图2 1x - y 微定位工作台平面图和运动示意图 1 隔振弹黄2 z 向p z t3 x 向p z t4 y 向p z t 幽2 2x y 0 向微动工作台图2 - 3三维微位移操作器 由以上介绍和分析，并根据本课题研究的目的，我们选定以柔性铰链为支 撑的可实现o 5 0 微米可达到亚微米级的精密三自由度( x y - e ) ，即平面内 两个平动和一个转动的微位移工作台作为设计和研究对象。 由于柔性铰链设计和微位移驱动器的选用是我们要设计的工作台和整个系 统的关键，下面对其分别作以介绍。 2 1 2 柔性铰链 如果在整块材料上切除部分材料得到的一种连接部分较薄的结构，这种连 接就叫柔性铰链( 见图中a , b ，e ，f j 。柔性铰链属可逆弹性支撑部件，通常用在 弹性导轨机构中，具有体积小、无机械摩擦、无间隙、回复性好、分辨率高的 优良特性，在微位移传动机构中的应用极为广泛6 , 1 ”。但由于其截面积是变 化的，所以推算非常复杂、理想化的部分因素多，不便于对其特性的做理论研 究 1 8 1 9 , 2 0 , 3 。在最近几年对柔性铰链的研究越来越多，特别是有限元技术的应 用，对各种截面类型的柔性铰链都有了有效的研究工具。 在精密转动和移动机构中，通常使用的柔性铰链机构 2 1 , 2 2 】有两大类：平面 运动副( 转动式与组合型移动式) 和空间球副。 ，i 口 ( a ) 平面单切口转动型( b ) 平面双切口转动型( c ) 平面有偶合移动型 b ： l ( d ) 平面无偶合移动型( e ) 空间多向转动型( f ) 空间万向转动型 图2 4 柔眭铰链结构类型举例 柔性铰链的基体截面一般采用方形或圆形：被切除的缺口可采用方形、 圆弧、椭圆弧、抛物线、双曲线等其他线形，由于圆弧容易加工，目前大多用 这种形式。但在国外对其他线形的柔性铰链的研究也是热点。 在图2 - 4 中( a ) ( b ) 为单轴转动铰链，( b ) 结构对称可实现左右运动 且两方向运动关系一样。( c ) ( d ) 为平面移动铰链组合型机构，( c ) 若固 定下表面，在上表面加水平方向力，则产生水平方向的移动，但同时有一定的 竖直方向的位移；在( d ) 中有多种实现方法，通常同时固定上下面，在图中 中一1 1 , 线加同向的大小相等的作用力，可产生中心线位置的无偶合水平移动，若 固定下面，在图中中心线加反向的大小相等的作用力，在上平面可得到竖直方 向的平动。( e ) 可很好的实现前后和芷右摆动，( f ) 可实现任意方向的摆 动，相当于球副。还有一些其他的类型和组合类型，基本原理大同小异。 在微位移机构中，可根据具体要求来使用和组合柔性铰链。( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 为 平面结构，容易组合、容易加工，所以被广泛采用：( e ) ( f ) 为空间多自由度结 构，在有特殊要求时可采用装配或焊接等方法来组成一个总体机构。 为避免机构过于复杂和难度较大的加工工艺，我们选择较易加工和排布的 ( b ) 型铰链。铰链处的尺寸如图2 - 5 。 2 1 3 驱动器 h 图2 - 5柔性铰链主要尺寸示意图 微驱动器是一种将电、光、热等多种形式的能量转换成为机械能输出的换 能器。它有多种不同的工作原理和结构形式。若按能量转换形式来分类，有静 电驱动、电磁驱动、压电驱动、形状记忆合金驱动、光驱动、凝胶驱动、热驱 动以及超导驱动等形式。若按其输出运动的形式分类，有线位移式、回转式和 尺蠖式等“。 一、压电陶瓷微位移器的原理、特点和应用i l 叫 压电陶瓷微位移器是由多层压电陶瓷薄片，经过多层叠层技术制成的固态 移动器，它能直接将电能转换成动能( 机械位移) 。压电驱动的工作原理是基 于压电体具有逆压电效应：s = 曲j 尉其中：s 为应变；函j 为逆压电系数；e 为 电场强度1 ，即当压电体受电场作用时会产生形变。与其他形式的驱动相比， 压电驱动具有的最大特点和优点是为微米、纳米量级的位移或运动提供了新手 段和新途径。同时，压电驱动具有控制方便、位移分辨率高、频率响应好、不 发热、推力大、无噪声、外界干扰小等优点口3 ，硷j 。但压电陶瓷本身存在着菲 线性、迟滞、蠕变等缺点，需要通过一些措施来改变和补偿 2 ”。 压电驱动具有很大的发展前途，大多应用在高技术领域，如激光腔调谐， 光纤光学定位，自适应光学，生物工程细胞穿制，精密微定位，摄影，摄像器 材快门控制，光纤熔接机等弘“。 二、电致伸缩陶瓷微位移器( 以w t d s 型为例) w t d s 电致伸缩微位移器是由p l z t 陶瓷材料( 在电场作用下，该材料晶 格定位引起介电驰豫而发生形变) ，经叠层工艺制作而成的。它是一种高分辨 电压控制微小应变的器件。其位移量是由叠层数和电场大小控制的。它具有工 作电压低、分辨率高、响应快、滞后小、回零再现性好、无老化现象、稳定性 好等突出优点。它是光学、机械加工、电子、航空、生物、医学、遗传工程和 光纤通讯等领域中实现超精定位、超精加工、误差补偿、相位调制等功能的理 想执行器r f 。该器件定位精度可达亚微米级，分辨率可达到几 j 纳米。 位移量s ( 单位：m ) 与电场的平方成正比s = m 3 ，”为叠层数，参数 m 为电致伸缩系数，单位：m 2 v 2 ，e 为电场强度( v i m ) 。以5 0 m m 长的器件 ( 每层o 2 m m ) 为例，在小于3 0 0 v a d 电压驱动下，它的最大位移量可达4 0 5 5 j m 之间，能承受的最大阻挡力为1 0 0 n c m 2 ，响应时间为l o m s 1 0 0 u m 。 三、超磁致伸缩驱动器 超磁致伸缩驱动器是利用超磁致伸缩材料在外部磁场发生变化时，其材料 发生伸长形变这一特点研制的，驱动器是由磁致伸缩棒、永磁铁套桶、驱动用 螺线管线圈、轭铁及弹性钢片等组成。基于超磁致伸缩材料的驱动器以其输出 力大、位移分辨力高、位移范围大、漂移小、低压工作等特点在超精密定位系 统中有着广阔的应用前景。但其结构复杂，有漏磁、工作时存在发热和受温度 变化影响的缺点和不足。 四、压电电致伸缩陶瓷微位移器 压电电致伸缩陶瓷微位移器是近年发展起来的新型微位移器件，它具有 体积小、出力大、精度和分辨率高以及频响高等优点，且不发热、无嗓音，目 前在光学、电子、航天航空、机械制造、生物工程、机器人等领域得到了广泛 的应用。随着纳米技术的兴起与发展，为了实现精微操作，不但要求压电陶瓷 具有很高的可控精度，而且对压电陶瓷位移的线性度、重复性及响应速度的要 求也越来越高，但是由于压电陶瓷本身存在着非线性、迟滞、蠕变等缺点，使 其应用受到了一定的限制，因而有必要对压电电致伸缩陶瓷的机理进行进 步的分析和研究。 压电陶瓷和电致伸缩陶瓷都是电介质，电介质在电场的作用下有两种效 应，逆压电效应和电致伸缩效应，其中逆压电效应是指电介质在外电场的作用 下产生应变，应变大小与电场大小成正比，应变的方向与电场方向有关。而电 致伸缩效应是指电介质在电场的作用下由于感应极化作用引起应变，且应变与 电场方向无关，应变的大小与电场的平方成正比。上述效应可用公式表达如 下： s = d e 七m 手 式中d e 为逆压电效应； v e 2 为电致伸缩效应：d 为压电系数( 州v ) ；m 为 电致伸缩系数( m 2 v 2 ) ；e 为电场( v m ) ：s 为应变。 压电陶瓷的逆压电效应和电致伸缩效应本质上就是电介质在电场的作用下 产生极化，在宏观上表现为机电耦合效应。 1 0 在我们的设计中，综合比较以上几种驱动器的优缺点，选择了性能稳定、 分辨率高、反应茯、回零再现性好的w t d s 型电致伸缩陶瓷微位移器，有关 它的特性和控制方法在第五章我们要作更进一步的研究。 2 2 三自由度( x y _ 8 ) 微位移工作台设计方案 2 2 1 设计中的需要考虑的几个问题 在本课题中，微位移机电系统的结构设计又称微位移工作台设计。在此过 程中，要以我们研究的目的和达到的目标为中心，实现三个自由度运动，能保 证灵活动作，能够达到所需要的行程，位移精度和分辨率。丽且要考虑到选择 的驱动器的性能、尺寸和驱动力的大小，本机构零件的加工工艺和总体装配的 难易程度和其使用的可靠性，对它的主要强度需有保证。另外，该系统的的运 动关系要尽可能简单，便于控制。 在能达到本系统所期望的性能前提下，对主要机构的体积和制造成本要适 当的减小，同时还要兼顾进一步研究的价值，尽可能扩大其实用性，对结构的 外观也尽可能使其美观。总之，既要追求科学研究价值又要照顾到经济和美学 价值，把科学研究中的设计提高到新的高度，做到实用和美观并重。 2 2 ，2 微位移技术的评价参数 微位移技术，顾名思义，即涉及微米，微米级以下位移运动的相关的技 术和器件。从该技术的提出到今天研究人员都在以下几个方面努力，这几个方 面的具体的参数可以作为微位移系统的评价标准。 1 微位移的分辨率。微位移的分辨率是评价微位移机电系统的最重 要指标。羁前人们正朝纳米级的目标迈进，但大多数现有的微系 统只能实现亚微米级。 2 ，精度。系统的绝对精度、相对精度和重复精度也是重要的评价指 标。 3 行程大小。行程一般为几微米到几十微米，需要根据使用用途来 决定行程大小。 4 运动自由度的个数。根据其具体应用决定机构需实现的最多个数 的自由度。一般来说自由度多较好。 5 线性关系。输入和输出的线性关系明显好，便于控制。 6 反应速度。系统反应灵敏、迟滞和蠕变小，控制和动作速度快 好。 7 稳定性。系统和其部件受外界条件( 振动、温度、气压等) 因素 影响较小好。 8 系统的复杂性。指其结构和制造工艺复杂程度、体积大小和控制 系统的复杂程度。系统越简单越好。 9 其他性能。如系统的可靠性、刚度、润滑和摩擦、能量变化、动 力学等方面参数。 在以上标准中有些是矛盾的或相互牵制的，比如位移精度和行程大小、 自由度和系统的结构和控制的复杂性、体积和刚度等。考虑时，不可能使全部 都达到最好，要根据具体要求，寻找全面兼顾( 应用现代设计方法是可行的) 或顾全主要性能的设计方案。 2 2 3 设计方案的确定 为提高微位移机电系统的性能，力求提高其主要评价指标，在对微位移机 电系统的形式确定后，我们参考了国内外比较好的微位移机构设计口”_ 2 ”，为 达到平面内两个平动( x 和y 方向) 和一个转动( 绕z 轴) ，在x - y 方向平 动的基础上加上一个转动自由度。整个机构的结构由三层( 外，内，中心) 镶 套而成，每层为一个单元模块实现一个自由度运动，使三自由度之间不存在相 互耦合，便于高精度控制。两个平动单元用柔性铰链为转动副的双平行四杆机 构( 简称柔性铰链型双柔性平行四杆机构，见图2 7 ) 实现x ，y 方向平动， 中心单元用柔性铰链为转动副的单平行四杆机构( 简称柔性铰链型单平行四杆 机构，见图2 - 6 ) 实现转动。单平行四杆机构，从理论上可归属于采用柔性铰 链为“转动副”的平行四边形结构，但它的转动角度有限，准确的说是摇杆机 构。采用柔性铰链为“转动副”的双平行四杆机构为对称机构，来保证单一方 向运动而不会产生其他方向运动的耦合。在以往的设计中，许多学者用单平行 四杆机构来实现平动，从结构上看，较简单一些，但无法克服其垂直运动方向 的耦合运动，即使通过控制系统用些方法来补偿，但大大增加了控制系统的 复杂性，这显然是不科学的。这两种弹性支撑机构不但可以实现所需要的运动 性能，而且使系统的刚度较大；由于这类机构设计中，柔性铰链机构的分辨率 极高，故只要驱动控制的分辨率高，则整个机电系统的分辨率极高。 图2 - 6 柔性铰链型单平行四杆机构简图图7 柔性铰链型双平行四杆机构简图 为了使微位移机构的结构简单和保证分辨率的大小，我们没有使用微位 移放大机构，直接把三个单一运动单元镶套成为一体。每个驱动器独立控制一 个方向的运动，也可以相互配合，实现平面内的某一位罱的确定。 2 2 。4 微位移总体机构的初步设计 根据以上设计方案可绘制出如下机构示意图( 图2 - 9 ) ，图中标号为l 、2 的部分分别是x 、y 平动工作台，它们由四根柔性铰链连杆支撑连接在固定的 外框和l 号区，3 号区是转动工作台。它和中心处的单平行四杆机构的一根转 动连杆连在一起，随之转动。1 、2 、3 各部分在f l 、f 2 、f 3 力的作用下分别 可以得到x 方向、y 方向微小位移和x y 平面内的微转角e ，通过3 个力的配 合驱动可使3 区上的物体实现准确的定位。 我们初步的设计是选择弹性好且常见的6 5 m n 弹簧钢( 抗拉强度ob ： 9 8 0 m p a ；屈服强度d ；：7 8 5 m p a ；许用应力 0 ：4 3 2 m p a ；密度p ：7 9 1 0 3 k g m 3 ) 来制造样机，通过对样机的测试再来仔细研究和分析本设计的好 坏，从而加以改进。 斟2 - 8 工作台总体机构的初步设计示意图 2 , 3 微位移机构设计中的现代设计方法 现代设计方法是随着科学技术的发展丽形成的内容丰富涵盖多种学科知识 的完整的科学的设计理论和方法，它的出现和完善是和计算机科学的发展分不 开的。本课题研究中。在有关机构设计和分板的地方运用了有限元法、最优化 等技术和方法，在此先对有关概念做简要介绍。 2 3 1 现代设计( m o d e md e s i g n ) 现代设计方法是用系统的观点，考虑自然科学、社会科学、经济科学等诸 多现代因素，从而获得质高、价廉、有创新产品所使用的设计程序、规律及设 计中的思维、工作方法和工具的总和。现代产品设计过程：需求和技术分析 一设计方案的优选和确认一材料、结构和加工的优选和确认。 现代设计的主要特点在以下几个方面： ( 1 ) 数字化、程序化和智能化 ( 2 ) 并行1 洼和综合性 ( 3 ) 创新和进步 总之，现代设计方法是过去的传统设计活动的延伸和发展，人们在掌握事 物的客观规律和人的思维规律的同时，通过运用相关科学技术原理，进行过去 难以想象的综合集成设计计算，使设计工作包括机电产品的设计工作产生了质 的飞跃。 在现代设计技术中，最为首要的和关键的技术就是计算机技术。计算机的 应用使传统设计中不可能实现的方法和技术得到应用和发展，产品设计变为了 1 4 一项系统的和先进的工程。在其现代设计方法学、计算机辅助设计技术、可信性 设计、设计试验技术的几大研究内容中，计算机辅助设计技术一直是研究和应t i _ j 的核 心和热点。 2 3 2 计算机辅助工程( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ：c a e ) 长期以来，机械设备的分析与计算一直沿用材料力学、理论力学和弹性力 学所提供的公式来进行。由于大多机械结构较为复杂，在分析时，须假定许多 的简化条件，因而计算精度很低。为了保证设备的安全可靠运行，常采用加大 安全系数的方法，结果使结构设计尺寸加大，浪费材料，有时还会造成结构性 能的降低。而现代产品正朝着高效、高速、高精度、低成本、节省资源、高性 能等方面发展，传统的计算分析方法无法满足要求。近2 0 年来，伴随着计算 机技术的发展，出现了计算机辅助工程这一新兴的学科。该技术包含有限元 法、优化设计、模拟仿真和虚拟设计、计算机辅助设计和智能计算机辅助设计 等。采用c a e 技术，即使在迸行复杂的工程分析时也无须作很多简化，并且 计算速度快、精度高。常见的工程分析包括：对质量、体积、惯性力矩、强 度等的计算分析；对产品的运动精度，动、静态特征等的性能分析；对产品的 应力、变形等的结构分析。下文将介绍一下有限元法的分析原理和方法，特别 是利用有限元法进行结构应力、变形等分析的方法。 2 3 3 有限元法( f i n i t ee l e m e mm e 也o d ) 一、简介 有限元分析技术是最重要的工程分析技术之一。它广泛应用于弹塑性力 学、断裂力学、流体力学、热传导等领域。有限元方法是6 0 年代以来发展起 来的新的数值计算方法，是计算机时代的产物。虽然有限元的概念早在4 0 年 代就有人提出，但由于当时计算机尚未出现，它并未受到人们的重视。随着计 算机技术的发展，有限元法在各个工程领域中不断得到深入应用，现已遍及宇 航工业、核工业、机电、化工、建筑、海洋等工业，是机械产品动、静、热特 性分析的重要手段。早在7 0 年代初期就有人给出结论：有限元法在产品结构 设计中的应用，使机电产品设计产生革命性的变化，理论设计代替了经验类比 设计。目前，有限元法仍在不断发展，理论上不断完善，各种有限元分析程序 包的功能越来越强大，使用越来越方便。编制有限元程序涉及许多数学物理方 面的高深知识，个人编制有很大的难度。目前，国外有多家有实力的公司推出 大型的有限元软件产品如美国的m s c 烈a s t r a n 、a b q u s 、a d i n a 、 a n s y s 、m a r c 、c o s m o s 公司的产品，德国的a s k a 、英国的p a f e c 、 法国的s y s t u s 等软件，我国大连理工大学f i f e x 9 5 、北京大学s a p 8 4 、中 国农机科学研究院m a s 5 0 等用于p c 机的软件也较为成功。 有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示 复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合 求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元 法。这种方法灵活性很大，改变单元的数目，可以使解的精确度改变，得到与 真实情况无限接近的解。有限元方法的基本理论要用到数学、力学方面的各种 知识。对于一个应用工程师来说，他的目的是应用有限元方法去求解各种工程 问题，目前市场上各种功能强大的有限元程序包很多，这些程序包使用方便， 也不需要对有限元法进行很深入的了解，即可应用这些程序求解工程问题。因 此，对于一般的工程技术人员来说，只需要花很少的时间了解些有限元的理 论背景和基本知识即可。在采用有限元法对结构进行分析计算时，依据分析对 象的不同，采用的单元类型也不同，常见的单元有以下几种： 杆、梁单元，这是最简单的一维单元，单元内任意点的变形和应力由沿 轴线的坐标确定。 板单元，这类单元内任意点的变形和应力由x y 两个坐标确定，这是应 用最广泛的基本单元，有三角形单元和四边形单元。 多面体单元，它可分为四面体单元和六面体单元。 薄壳单元，这是由蓝面组成的壳单元。图2 - 9 所示为常用的几种单元类 犁。 = o 尊口嚣= = = o o ， 轩单元 平商簋单元 匹边彩午面单元 图2 - 9 有限兀的常用早兀类型 二、有限元单元选择和分析 在平面结构分析中，有三角形单元、矩形、四边形、曲边四边形单元等。 在三角形单元中通常用六个自由度( 三节点) 代替实际单元无限个自由度，这 是一种最为简易的常用求解方法，但通过在三角形单元上增加节点( 自由度相 应增加) 和选用四节点或八节点的四边形单元来代替实际单元能较好地反映弹 性体中的应变和应力的变化情况。单元节点增多，单元尺寸较小，求解的精度 就较高，但选择哪种单元得看求解的要求、物体的形状、计算机能力等具体垮 套黛 p - 况而定，矩形单元只适用于直角边界物体，划分单元时在同一物体上也不便采 用不同尺度的单元，使用的局限性很大，所啦作者在分析所设计的机构时没有 采用。有关三角形、矩形单元的知识在文1 歙 2 6 1 等许多文献中有详细的讲解， 本文不再多述。恰恰相反斜四边形单元的四边具有很大的灵活性，可以把任意 形；状的物体划分为不同形状大小的多个单元。故此作者选用其来进行单元划 分。 矽 ；= 一1 ( a )( b ) 图2 1 0斜四边形单元示意图 四边形单元i j m p ，利用坐标变换的方法，可以推导出它的位移函数，在 图2 一l o ( a 冲正方形单元的位移函数是： 1 “= 音 ( 1 一手) ( 1 7 7 ) “， t - ( 1 + ) ( 1 一叩) “，+ ( 1 + 掌) ( 1 + r 1 ) u 。+ ( 1