杠杆-复桥式3D压电微定位平台设计与分析.pdfVIP

第４７卷第２期沈阳工业大学学报Ｖｏｌ４７Ｎｏ２

２０２５年３月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｒ２０２５

檪檪檪檪殏

檪

殏ＤＯＩ：１０．７６８８／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１６４６．２０２５．０２．１１

机械工程

殏

檪

殏檪檪檪檪

杠杆－复桥式３Ｄ压电微定位平台设计与分析

１１１１１１，２

金俊杰，王硕，孙凤，郝岩松，徐方超，张晓友

（１沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳１１０８７０；２日本工业大学机械工学科，日本玉３４５８５０１）

摘要：【目的】针对目前微定位平台体积大、小行程的问题，提出了一种基于杠杆－复桥式的新型

位移放大机构，设计了可实现大行程运动的三自由度压电微定位平台。【方法】首先，提出压电微

定位平台的结构并分析其工作原理：压电驱动器产生初始位移，该位移先被复桥结构放大，再通过

杠杆机构进行二次放大，将最终放大的位移输出到动平台。其次，设计并优化杠杆位移放大机构

和复桥位移放大机构，根据静力学、材料力学和弹性力学理论建立杠杆位移放大机构和复桥位移

放大机构的刚度模型和位移放大比数学模型。根据理论模型对杠杆位移放大器和复桥位移放大

器的尺寸进行优化，优化后的总体放大倍数为２０６。再次，对柔性铰链进行结构优化，针对４种典

型的切口形状进行有限元仿真研究，在分析４种柔性铰链输出位移与输入力的关系后确定采用直

梁型柔性铰链。对整体压电驱动微定位平台进行有限元仿真，分析压电陶瓷制动器变形放大后的

位移输出性能和绕ｘ轴、ｙ轴的转动输出性能。最后，对所设计的压电驱动微定位平台进行输出测

试，并对位移放大器的ｚ轴方向位移输出性能和绕ｘ轴、ｙ轴的转动输出性能进行实验验证。

【结果】有限元仿真结果显示，压电驱动微定位平台的动平台在ｚ轴方向的输出位移最大约为７４０ｍ，

μ

仿真放大倍数为１５，绕ｘ轴、ｙ轴的最大输出转动角度分别为０８３°和０８６°。压电驱动微定位平台

的输出测试结果显示升压曲线与降压曲线不重合，具有迟滞现象，ｚ方向的最大输出位移为７０６ｍ，

μ

当电压为３０Ｖ时，迟滞位移最大为６５ｍ。绕ｘ轴方向最大输出角度为０８°，绕ｙ轴方向最大输

μ

出角度为０７９°。当电压为３０Ｖ时，绕ｘ轴方向迟滞角度最大为００６２°；当加载电压为４５Ｖ时，绕

ｙ轴方向迟滞角度最大为００４７°。与仿真结果对比，沿ｚ轴方向移动以及绕ｘ轴和ｙ轴方向旋转

的最大误差分别为３４ｍ、００３°和００７°，其对应的最大相对误差分别为４６％、３６％和８１％。

μ

【结论】基于杠杆－复桥式新型位移放大机构的压电微定位平台能有效解决压电陶瓷输出位移小的

问题，实现了大行程运动。

关键词：微定位平台；小行程；三自由度；柔性铰链；杠杆机构；复桥机构；有限元；最大误差

中图分类号：ＴＰ２０２文献标志码：Ａ文章编号：１０００－１６４６（２０２５）０２－０２１４－０９

压电陶瓷具有结构紧凑、体积小、驱动力大、能者代替了每个支链上传统的移动副和转动副，但该

量转化效率高等优势，被广泛应用于集成电路、工［１