超精密微操作器设计和建模研究

　　柔性铰链具有无滑动摩擦、无迟滞、不需润滑以及运动平滑和运动分辨率高等优点, 压电陶瓷驱动器具有高分辨率、高刚度和高响应速度等特点, 基于柔性铰链和压电陶瓷驱动器的微操作器以其具有的上述优点广泛应用于精密定位、精密机床、扫描隧道显微镜、电路版印刷、光电显微镜、激光焊接以及半导体加工设备中[ 1] 。近年来, 许多国内外学者在设计高精度的微操作器方面做了大量研究工作,Musa Jo uaneh[ 2] 、Chunyong Yin[ 3] 、Yingfei Wu[ 4]和Renyi Yang[ 5] 等人利用柔性铰链设计了各种微定位机构用于各种微传感驱动设备中。上述大部分机构的运动原理与单和双平行四杆机构有关, 如图2、图3 所示。在这两种结构中, 单平行四杆机构存在固有的耦合误差; 双平行四杆结构由于增加了柔性铰链的个数, 在相同的作用力下, 目标位移受到限制; 在相同的目标位移下, 这两种结构都存在较大集中应力。集中应力和耦合位移是影响基于柔性铰链和压电陶瓷驱动器的微操作器性能的关键因素。过大的集中应力会降低微操作器的使用寿命, 甚至造成柔性铰链的塑性变形; 耦合位移的存在会降低微操作器的定位精度[ 6] 。此外, 柔性铰链结构的动态特性很大程度上影响着微操作器的响应速度, 对微操作器进行动态特性分析和建模是实现微操作器结构设计、驱动器选型和运动控制的基础。Ma Haoquan[ 7] 和Peng Gao[ 8-9] 等学者分别设计了二自由度和六自由度微定位工作台, 并针对各自特点进行了各自动态特性分析和建模。

　　本文分析了单和双平行四杆机构两种经典微操作器机构优缺点, 并且在吸取其优点, 摈弃各自缺点的基础上, 构建了一种基于复合平行四杆机构的小耦合位移和集中应力微操作器, 并利用拉格朗日等式对微操作器动态特性进行了建模研究; 为验证理论分析结果, 对微操作器的静、动态特性分别进行了有限元仿真和试验验证, 有限元仿真和实验研究的结果表明: 设计的微操作器具有小耦合位移和较小集中应力, 建立的微操作器静、动态模型能够很好的反映实际情况, 本研究为微操作器的设计提供理论依据。

　　1 微操作器设计

　　图1 为柔性铰链结构图, 柔性铰链的各项参数如下: R 铰链加工孔的半径, E 材料的弹性模量, t铰链薄壁最小厚度, B 铰链厚度, A 柔性铰链截面积, F 加在运动杆上的力负载, I 柔性铰链横截面转动惯量, l 旋转刚性杆长度, x 微操作器目标位移, x y微操作器耦合位移, kH柔性铰链旋转刚度, H柔性铰链旋转角。

　　1. 1 单平行四杆机构

　　从图2 可以看出, 单平行四杆机构的目标位移是通过柔性铰链的旋转得到, 柔性铰链的变形是弯曲变形, 假设目标位移为x 1 , 分析该机构的运动情况得知每一个柔性铰链的旋转角为: