柔性铰链位移平台仿真.docxVIP

柔性铰链微位移平台性能仿真摘要： 本文从柔性铰链微位移平台的背景出发，介绍了柔性铰链的运动实现以及特点，以一维微位移工作平台为例，用Inventor建立其模型。并用ANSYS对其进行位移与应力仿真，得出输入与输出相应关系，并在压电陶瓷驱动器行程范围内找到线性响应区域。关键词 ： 柔性铰链微位移平台 压电陶瓷 ANSYS 线性响应 1 背景介绍柔性铰链是近年来发展起来的一种新型机械传动和支撑机构，用于绕轴作复杂运动的有限角位移。也可理解为利用其结构薄弱部分的弹性变形可实现类似普通铰链的运动传递,极大地拓展了微位移驱动器的应用范围和应用领域。随着纳米技术的兴起和飞速发展，基于柔性铰链—压电陶瓷驱动的纳米级微定位技术已成为能束加工、超精密加工、微操作系统等前沿技术的基础支持技术。利用柔性铰链的众多优点，易实现亚微米甚至纳米级的精度。因此，研究柔性铰链对于纳米技术的进一步发展与广泛应用非常有意义。近年来，采用压电元件驱动，柔性铰链机构传动实现精密定位有着众多的应用，如微动工作台，引激光焊接、光学自动聚焦系统等众多领域。纳米定位技术是实现纳米加工和纳米测量的基础，柔性铰链在该领域也有着极其重要的应用。就目前来看，柔性铰链—压电致动微动工作台的研究将占主导地位。2 柔性铰链的运动实现柔性铰链是通过弹性形变来实现铰链运动。施加的弹性变形力会导致铰链中心点偏移其几何中心，从而影响柔性铰链的转动精度。柔性铰链用于绕轴做复杂运动的有限角位移，它有很多种结构，最普通的形式是绕一个轴弹性弯曲。如图1所示，组成柔性工作系统主要的基本形变是在Mz作用下绕Z轴的转动，产生相应转角以及在y方向上的位移dy。与此同时在x方向上也产生相应的收缩位移dx。通常情况下dx相对于dy是一个小量，即运动的主位移为dy。 图1 柔性铰链受力图 理想铰链应可以绕其中心点自由旋转，但对于真实的柔性铰链，要让它作旋转运动就必须施加变形力。为了定量的考察各个柔性铰链的运动范围和运动精度，通常选用D点的位移来表示其运动范围，而用中心点C的偏移量来表是其运动精度。 各种微动方面的运用需求要求能实现小范围内微动的机械结构不仅要高分辨率，也要结构微小型化。柔性铰链微位移机构具有较高的位移分辨率，再配合压电陶瓷驱动器可实现微小位移，可适合各种介质环境工作。目前运用于压电驱动实现微动的柔性铰链主要有：直圆型、椭圆型、直角型、抛物线型、双割线型。所以这里设计中柔性铰链移动副以及其伴生运动的抑制为主要研究对象。柔性铰链分析是基于小变形悬臂梁假设，变形为弹性变形，弯曲变形是由力和弯矩产生的。理想情况下，柔性铰链绕其中心转动，中心轴的位置应该不变，实际上弯矩和拉力的作用下，柔性铰链的转动中心会产生偏移，从而影响了铰链的转动和运动精度。根据材料力学卡式第二定理，铰链回转中心的位移x2，y2，及其应力为： （1）其中，A（x）=bh（x），I（x）=bh3 （x）/12。式中：E—弹性模量；I—转动惯量。由（1）和受力分析得出中点2 的载荷和位移之间关系的矩阵方程为： （2）柔度是指构件在轴向受力的情况下，沿垂直轴向方向发生形变的大小。柔度矩阵中C33为力Fx1在中心点x 轴方向上的柔度。根据微动平台的要求，柔性铰链伴生运动应该越小越好，由上面C33的定义可知，C33越小柔性铰链正在x 轴方向上的变形越小，即铰链的伴生运动越小。在预定设计参数的情况下，直圆铰链的C33最小，所以直圆柔性铰链x 轴的伴生运动比较小，适合运用于微动平台。3 柔性铰链微位移平台模型建立3.1 模型建立 如下图所示，选用直圆型柔性铰链，在整块板上切出一维柔性铰链微位移器的主体平台部分，用Inventor建立其空间模型。已知压电陶瓷驱动器的参数以及微位移平台的材料参数，分析该机构输入位移与输出位移之间的关系，并找出在压电陶瓷行程范围内的线性响应区域。图2 一维柔性铰链微位移平台模型当压电陶瓷在驱动电压作用下伸长,使柔性铰链产生变形。其变形抗力形成作用于压电执行器端部的弹性负载。而变形位移经过杠杆会进行放大。其原理如下图所示：图3 微位移平台放大机构原理图3.2 确定模型参数 模型参数确定如下表所示：表1 压电陶瓷驱动器力学参数型号工作行程（μm）有效应力（N/m2）分辨率（nm）PZT-5H0-11080.1表2 工作平台参数尺寸（mm）柔性铰链壁厚（mm）柔性铰链圆弧半径（mm）平台材料弹性模量E（GPa）泊松比μ 200X200X1012超硬铝LC4760.34ANSYS有限元分析4.1 单元属性定义平台为一个三维柔性实体，在此选用SOLID45单元。4.2 网格划分柔性铰链微位移平台中，应力基本都集中在铰链连接处，该处网格划分应该精细，而其它位置应力极小，可以粗糙划分。在ansys中利用智能划分进行总体