一种无耦合位移和低集中应力的二维微操作器研究

　　1引言

　　基于柔性铰链的微操作器以其具有无滑动摩擦、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〔1一3〕。

　　近年来，国内外许多学者在设计高精度微操作器方面做了大量研究工作，MusaJouaneh设计了一种柔性铰链杠杆微操作器用来放大压电陶瓷驱动器的输入位移【4】;YinChunyong等开发了一种超高精密的纳米分辨率定位装置并用于双频激光干涉仪中[5];WuYingfei等设计了一种利用一个压电陶瓷驱动器来实现3方向运动的微定位机构[6];YangRenyi等也利用柔性铰链设计了一种微定位机构用于激光焊接中[7]。上述大部分机构的运动原理与单秘双平行四杆机构有关，2种机构形式如图1、图2所示。在这2种结构中，单平行四杆机构存在固有的祸　　合误差;双平行四边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2种结构都存在较大集中应力。集中应力和祸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;祸合位移的存在会降低微操作器的定位精度[8].

　　本文分析了单和双平行四杆机构2种经典微操作器机构优缺点，并且在吸取每一种结构的优点，摈弃各自缺点的基础上，构建了一种基于复合四杆机构的微操作器，对该3种结构形式进行了有限元仿真，其结果的对比证明了理论分析的正确性。利用上述微操作器结构原理，设计加工了1种新的二维微操作器结构，与压电陶瓷驱动器组成二维微操作器并进行了对比实验研究，结果表明，该复合四杆微操作器性能优于经典的单平行四杆微操作器和双平行四杆微操作器。

　　2复合四杆机构设计[9一l0]

　　柔性铰链的各项参数如下:R为铰链加工孔的半径，E为材料的弹性模量，d为铰链薄壁的最小厚度，B为铰链厚度，A为柔性铰链截面积，F为加在运动杆上的力负载， θ为柔性铰链旋转角，l为旋转刚性杆长度，x为微操作器目标位移，k，为柔性铰链旋转刚度，x，为微操作器祸合位移。

　　2.1单平行四杆机构分析

　　单平行四杆机构如图l所示，假设其目标位移为xl，分析该机构的运动情况得知每一个柔性铰链的旋转角为:

　　该机构祸合位移为:

　　由能量守恒原理，外力做功等于柔性铰链的形变弹性能:

　　2.2双平行四杆机构分析