提出一种以柔性铰链结构为导向机构、压电陶瓷为驱动器的三维超微定位工作台,对三维超微定位工作台的非线性和动态特性的问题进行了研究,提出改善方法以提高系统的定位性能。将三维超微定位平台用于微操作机械手。

根据杠杆原理，使用结构紧凑的柔性导向支承机构，将压电驱动元件的伸长量传递到精密机床的进给系统上，进行精密进给。调节输入输出比可改变输出量大小及系统刚度。简述设计过程，提出了铰链的解析模型和有限元模型。测试结果表明柔性导向支承机构的静态刚度为5．5N／μm，自振频率为439Hz；微进给工作台行程为25μm，静态刚度约为200N／μm。

根据步进运动原理,采用分立式布局,提出大行程高分辨率旋转精密驱动器.该精密驱动器采用电磁杠杆柔性铰链箝位,以压电陶瓷为驱动源,利用柔性盘铰链把压电叠堆的直线运动转化成旋转运动,实现了大行程精密步进旋转驱动.实验表明:该驱动器具有钳位牢固、分辨率高、行程大等特点,适用于微操作中大行程高分辨率的旋转驱动.

研究、设计了一种以柔性铰链为导向元件、压电陶瓷为驱动器的微定位机构,给出了机构的动力学模型.结合检测装置和微机控制系统,设计并研制了基于前馈控制同数字PID反馈控制相结合的复合控制的微定位系统.实验表明,微定位系统定位行程可达100μm,定位分辨力0.01μm.

在微力微位移装置中采用闭环控制压电作动器实现微位移进给和微力加载，设计了加载机构，建立加载机构的压电作动器输入电压、加载装置输位移和输出力之间的关系。通过电容测位移仪检测输出位移，实验得到加载系统刚度，根据压电作动器输入电压、加载装置刚度，计算出加载力大小。该方法为微机械力学性能测试仪打下了基础。

要制作尺寸达200mm×200mm、最小线宽为1μm的二元光学元件,设备传动系统必须满足大行程、亚微米级定位精度的需求.通过比较滚珠丝杠传动、直线电机传动及摩擦传动的优缺点,提出了采用滚珠丝杠驱动气体静压导轨实现粗定位、压电陶瓷驱动柔性铰链实现精确定位、用高精度光栅尺实现闭环反馈控制的技术方案.对导轨刚度及固有频率、丝杠刚度及固有频率、柔性铰链的转角刚度、光栅尺的反馈误差等影响系统精度的主要因素进行了分析.HP5528A双频激光干涉仪的检测结果表明传动系统位移灵敏度达到了0.03μm,定位精度小于0.20μm/100mm.

设计了一种以柔性铰链为转动副的微夹持器。微夹持器采用压电陶瓷驱动，具有结构简单、加工方便、夹持范围大等优点。在设计过程中，采用有限元方法，推导了柔性铰链的刚度矩阵与一致质量矩阵，优化了微夹持器的结构尺寸。为了验证算法的正确性，根据优化后的尺寸建立了几何模型，并利用ANSYS有限元分析软件对夹持器进行了静力学和动力学分析，分析结果与计算结果吻合较好，说明了算法的正确性。

针对微/纳精密操作定位精度需求,采用压电驱动方法,设计一种基于柔性铰链的新型微旋转平台。设计一个直角柔性铰链一级放大机构对机构的输入位移进行放大;并对放大倍数和旋转角度进行了理论分析;比较该微旋转定位平台输出位移理论值和ANSYS有限元仿真值,理论值和仿真值基本吻合;对微旋转定位平台的柔性铰链应力变形进行了验证,在满足其输出位移情况下,材料的力学性能符合设计要求。

刚度是影响柔性铰链机械性能的重要参数指标,建立复合型柔性铰链拉伸刚度模型,在不同参数、不同尺寸条件下计算其解析解,通过ANSYS Workbench对其进行静力学仿真,分析各个结构参数对其刚度的影响,同时得出该种复合柔性铰链在同等尺寸及力的作用下比传统双边平行铰链有较大的输出位移。在解析解与仿真结果误差较小的情况下,设计出一种参数最优化的复合柔性铰链并搭建了测量平台,对滚珠丝杆驱动的导轨进行了直线度误差测量,将其结果和激光干涉仪测量结果对比,验证了基于该柔性铰链搭建的测量平台满足直线度的测量需求。

针对传统机械式的微位移机构无法满足高精度的定位要求,而柔性铰链本身驱动又存在驱动位移小的问题,设计了基于柔性铰链的杠杆放大机构。利用有限元分析软件A N SY S W orkbench12对微位移机构进行静力学和动力学模态分析,通过理论计算和仿真结果对比,微位移机构的尺寸可以满足设计要求。