六自由度微动工作台柔性铰链设计

　　随着微技术的发展,以微型器件为测量对象的纳米测量技术和测量仪器的研究越来越受到学术界的重视,国内外很多学者都在致力于以微型器件为测量对 象的纳米三坐标测量机的研究,本文所介绍的六自由度微动工作台[1]是我校正在研制的纳米三坐标测量机的一个重要部件.它采用压电陶瓷驱动,柔性铰链导轨 式结构.柔性铰链具有运动灵敏度高、无机械摩擦和无间隙等特点,使得其在超精密机械中得到广泛的应用.利用柔性铰链的弹性变形,可以方便地实现精密微动工 作台的微量运动,而轴向和转动刚度又较高,能保证运动精度.该六自由度微动工作台采用单层结构(见图1),六自由度运动由8个压电陶瓷驱动杆A-a、B- b、C-c、D-d、E-e、F-f、G-g、H-h的伸缩和两端柔性铰链的转动来实现.其中柔性铰链A、B、C、D、E、F、G、H与固定台相连,a、 b、c、d、e、f、g、h与微动台相连.8个驱动杆对称分布,A-a、C-c初始位置与Y轴平行,B-b、D-d初始位置与X轴平行, E-e、F-f、G-g、H-h初始位置与Z轴平行,且8个杆的初始长度相等.工作台运动时,仅在柔性铰链处发生弹性变形,其它部分认为是刚体.为实现微 动台六自由度运动,要求柔性铰链可以实现绕两个正交轴的转动,所以需采用万向柔性铰链或者双向柔性铰链结构.为合理设计柔性铰链结构,确定柔性铰链的几何 尺寸并选用合适的材料,笔者根据六自由度微动台运动时柔性铰链的受力情况,分析了柔性铰链的应力,合理确定了铰链的刚度范围,并按照刚度计算理论 [1~5]选择了合适的铰链尺寸.本文还应用ANSYS软件对微动台中铰链的强度进行了有限元分析.

　　1　柔性铰链的刚度分析

　　微动工作台要求实现6个自由度的运动,其分辨率和定位精度还须与纳米测量相匹配.工作台的定位精度主要依赖于运动控制模型精度和驱动器的控制精 度以及柔性铰链等机械零件的加工安装精度,而柔性铰链的设计对整个工作台的定位精度也有很大影响,必须要求其转动精度高、寄生运动小.设计微动工作台柔性 铰链时应考虑满足以下条件:

　　(1)铰链最大变形时的恢复力要小于驱动杆的最大驱动力;

　　(2)铰链最大变形时的最大应力要小于其许用应力;

　　(3)使微动台具有较高的固有频率以确保工作台具有较好的动态特性.

　　1.1　柔性铰链转角刚度与结构尺寸的关系

　　一般柔性铰链受力如图2所示,用于微位移机构的柔性铰链位移量比较小且其结构参数(铰链厚度t和铰链半径R)一般取t≥R,单轴柔性铰链转角公式可以简化[5]为

式中:J(x)为铰链各段的惯性矩;M(x)为作用在铰链上的力矩;E为铰链弹性模量.