柔顺正交二级杠杆位移放大机构的设计与分析

设计位移放大机构是扩大压电叠堆驱动器输出位移,进而提升精密定位平台和微纳操作末端执行器工作空间的常见策略之一。对于柔顺位移放大机构,如何提高位移增益并使输出位移达到预期方向是其研究热点之一。鉴于此,对柔顺正交二级杠杆位移放大机构进行了系统性设计与分析。首先,分析机构与压电叠堆驱动器的运动学特性要求,结合机构自由度分析与刚体替代法,对柔顺正交二级杠杆位移放大机构进行系统性结构设计;然后,考虑柔顺铰链中点漂移与杆件变形,运用矢量多边形、卡氏第二定理与静力平衡方程,对机构位移增益进行静力学建模;进而,基于蒙特卡洛方法,对机构尺寸参数进行全局敏感性分析;最终,利用有限元仿真,对机构运动学综合、位移增益建模以及敏感性分析结果的有效性进行验证,并基于敏感性分析和有限元仿真结果,进一步设计了机构尺寸参数的制造公差等级。所提出的机构位移增益建模与敏感性分析方法无需使用输入输出位移正交的条件,可以推广应用于一般的柔顺多级杠杆位移放大机构。

x-y-θ_(z)大行程无耦合并联压电微动平台的设计

为了实现大位移行程、无耦合运动的精密定位,设计了一种结构紧凑、工作台面大的x-y-θ_(z)三自由度并联压电微动平台。该文首先采用双柔性薄板的柔顺桥式放大机构对微动平台的驱动单元进行了设计,并基于双平行四连杆柔顺机构设计了微动平台的台体,进而获得平台的整体结构。再采用有限元方法对平台的应力、位移放大倍数和模态进行了分析。最后对所设计的微动平台进行实验系统的搭建,并对平台的位移和频率响应特性进行测试。实验结果表明,平台在x方向上的最大输出位移为306.1μm,耦合率为0.26%;平台在y方向上的最大输出位移为402.3μm,耦合率为0.14%;在θ_(z)方向(即绕z轴)的最大转角为2.72 mrad。平台在x、y、θ_(z)方向的位移分辨率分别为10 nm、10 nm、0.1μrad,固有频率分别为104.1 Hz、130.0 Hz、115.6 Hz。

空间敏感载荷用超精密驱动系统刚柔耦合振动分析

作为实现空间敏感载荷精密定位的关键部件,超精密驱动系统不仅需要具备亚毫米级的输出行程,同时还应达到微纳米级的分辨精度。提出了一种利用柔顺放大机构与智能材料作动器联合驱动的方案。对柔顺放大机构在传动过程中可能因微振动而影响输出精度的问题,利用伪刚体模型法、假设模态法和拉格朗日方程构建了柔顺放大机构的刚柔耦合动力学模型;并基于该模型仿真研究了作动频带内柔顺放大机构的动力学响应特性。结果表明:随着驱动频率的增加,放大机构弹性振动加剧;但在整个作动频带内,弹性振动与刚体运动的幅值比在5 Hz驱动频率下仅为0.61%;进一步结合试验测试证明了所设计的驱动系统可以忽略柔顺放大机构产生的弹性振动的结论,表明该驱动系统具备超精密定位的潜力。