基于柔性铰链的精密定位平台的设计

　　0　前言

　　在电子、光学、机械等精密产品制造业中,经常需要精度高、配置灵活、维护方便的定位平台。目前定位平台一般利用一维线性滑轨或轴承滑台标准件装配而成,存在体积大、配置不灵活的问题。柔性铰链是在数控加工能力发展的基础上实现的一种体积小、无机械摩擦、灵敏度高的新型位移机构。本文介绍了一种基于功能易扩展的柔性铰链和闭环控制系统的精密定位平台的设计过程。该定位平台具有体积小、精度高、配置灵活的特点,对同类设备的设计和制造具有一定的参考价值。

　　1　柔性铰链设计

　　柔性铰链是一种弹性元件,具有结构简单、重量轻、无摩擦、无噪声、不需要润滑等特点。在结构设计上,把它作为导向、定位和传动等元件。笔者设计的柔性铰链扩展、配置灵活,通过对一维柔性铰链的简单几何叠加,可以方便组成二维或多维柔性铰链。

　　图1是一维柔性铰链的结构模型,分为固定单元、柔性单元、运动单元3个部分。通过螺栓将固定单元锁紧在基座上。外加驱动力推动运动单元做往复运动。柔性单元连接固定单元和运动单元,支撑运动单元承受的载荷。这些部分构成一个一维柔性铰链。

　　图2是一维柔性铰链的物理模型,其类似平行四连杆机构。设定柔性单元长度为l, X方向的位移量为x, Y方向的位移干扰量为y,则y=x2/(2l)。假定x=0·1mm,l=50mm,则y=0·000 1mm。

　　可见这种一维柔性铰链的位移干扰量较小,并且设定柔性单元的长度可以控制位移干扰量的大小,具有较大的设计灵活性。将两个一维柔性铰链几何叠加可以实现二维柔性铰链,如图3所示。

　　将一维柔性铰链和二维柔性铰链进行机械装配,可以实现三维柔性铰链。并且根据空间的要求,可以方便地改变柔性铰链的外形大小和几何形状。由此可见,这种柔性铰链结构设计灵活,配置方便,具备较大的功能扩展性。

　　2　闭环控制系统设计

　　为实现较高的控制精度,定位平台采用闭环控制系统进行精密定位控制。如图4所示,该闭环控制系统由驱动器、位移传感器和控制电路3个部分组成。驱动器安装在柔性铰链的移动单元上,要求有尽可能大的动态范围和驱动力、较高的控制精度和紧凑小巧的结构。图4中的驱动器由微型电机、齿轮变速箱、偏心轴机构、预紧弹簧和轴承支架五部分组成。微型电机在控制电路的控制下正向或反向转动,齿轮变速箱增大电机输出转距并提高运动精度。偏心轴机构在滚动轴承支架的支撑下将变速箱输出轴的转动变为推动柔性铰链的平动,推动柔性铰链的运动单元做直线运动。预紧弹簧减少装配间隙和运动中产生的惯性动载荷,并提供运动单元的回程动力。