柔性铰链文献综述.doc

浙江理工大学本科毕业设计（论文）文献综述报告班 级姓 名课题名称柔性铰链微运动的测量与控制方法文献综述报告（包括国内外本课题及相关研究的现状、分析及参考文献目录，理工类要求不少于2000字）目 录1 前言2柔性铰链发展和研究成果2.1柔性铰链国外早期研究成果2.2柔性铰链国外中期研究成果2.3柔性铰链国外现状2.4国内柔性铰链研究成果2.5 国内外柔性铰链最新研究成果3 微位移机构4 总结参考文献指导教师审批意见签名： 年 月 日柔性铰链微运动的测量与控制方法1 前言60年代前后，由于宇航和航空等技术发展的需要，对实现小范围内偏转的支承，不仅提出了高分辨率的要求，而且对其尺寸和体积提出了微型化的要求人们在进过对各种类型的弹性支承实验探索后才逐步开发出体积小、无机械摩擦、无间隙的柔性铰链[1]随后柔性铰链在支撑结构、联接结构、调整机构和测量仪器中的得到广泛应用,并日益成熟70年代末，美国国家标准局引入了柔性铰链机构以放大压电驱动器的位移，使其设计的工作台既具有亚纳米级的位移分辨率，又具有相对较大的行程。

近年来，柔性铰链以其特殊的性能在精密机械、精密测量、微米技术和纳米技术等领域得到广泛应用没，尤其是柔性铰链与压电致动结合实现超精密位移和定位2柔性铰链发展和研究成果2.1柔性铰链国外早期研究成果在60年代初，随着柔性铰链技术的提出，并以其体积小、无间隙等优点，在支撑结构、联接结构、调整机构和测量等仪器得以广泛应用由于当时圆弧型柔性铰链技术发展不够成熟，当时的柔性铰链技术存在径向刚度差，无法承受较大的径向力问题，因而无法在其他领域得到广泛应用2.1.1柔性铰链轴承柔性铰链轴承在现代机器中出现得越来越多图1 是典型的柔性铰链轴承它可以将轴瓦设计为一体, 简化了装配过程并降低了加工的尺寸公差要求与固定形状的轴承相比, 柔性铰链轴承可降低液 图1 柔性铰链轴承体滑动摩擦轴承的半速涡动, 防止颤振 2.1.2柔性铰链联接件图2 是由柔性铰链组成的柔性联接器它只传递垂直于纸面方向的推力, 在水平方向和垂直方向移动的刚度很低利用柔性铰链还可设计具有2个转动自由度的弹性万向节, 有结构紧凑、传动精密的特点柔性铰链可以使V 型槽的表面能自我调节, 避免球与V 型槽表面在作用力变化时产生相对运动, 见图3。

将其运用于由3 个球和3 个V 型槽组成的结合器中, 力和位移之间的迟滞现象减少了95% 图2 柔性联接器 图3 柔性结合器2.1.3柔性铰链调整结构图4 是基于柔性铰链的光学元件座子在平台的任一边加上调整螺钉, 可使水平表面精密地偏转它成本低, 在小的运动范围内具有很高的分辨率还可设计2个转动自由度的柔性铰链调整机构用于透镜装配 图4光学元件座 德克萨斯大学设计的光刻对准台中运用了柔性铰链四连杆作为调整机构, 见图5在距离中心10 mm 处施加一个4 N 的力可使安装模板的平台相对感光基底偏转有限元分析表明,当倾斜角为时,模 图5 柔性铰链4连杆调整机构板的侧向运动小于5 nm。

2.1.4测量和标定60年代末出现了许多具有亚纳米级灵敏度的线性位移测量传感器它们很多都使用了光学干涉仪,然而, 条纹细分是建立在理想形态干涉信号的基础上的, 实际的干涉条纹同理想形态还有差距利用X 射线干涉测量来线性内插光学干涉仪的条纹可以准确地测量亚条纹级的位移英国国家物理实验所( NPL ) 的组合式光学和X 射线干涉仪(COXI)结合了光学干涉仪 图6 柔性铰链平行四杆机构的大行程和X 射线干涉仪的高分辨率, 光学干涉仪以间隔为158125 nm 的整数条纹步进, X 射线干涉仪以01192 nm 的硅(200)晶格步进为了实现硅晶薄片之间纳米级运动,采用了柔性铰链平行四杆机构传递位移, 见图6利用该仪器可对亚纳米级灵敏度的线性位移传感器进行标定美国国家标准局设计了一体化的柔性铰链机构, 以联接X 射线干涉仪和光学干涉仪它采用3 级杠杆, 从驱动点到工作台面的位移缩小比达到1000∶1, 由此降低了对驱动元件的要求, 但柔性铰链机构较为复杂他们还利用柔性铰链在几角秒的运动范围内达到1 微角秒的调节精度为了加大X 射线干涉仪的测量范围，德国设计了对称结构的柔性 图7对称结构的柔性铰链传动机构铰链传动机构，见图7。

该机构消除了在主运动垂直方向上的干涉运动, 测量范围达到了200 2.2柔性铰链国外中期研究成果70年代中期，圆弧型柔性铰链技术的趋于成熟，70年代末，美国国家标准局引入了柔性铰链机构以放大压电驱动器的位移，使其设计的工作台既具有亚纳米级的位移分辨率，又具有相对较大的行程而此时的柔性铰链机构结构紧凑、运动精度高等特点，因此在精密机械、精密测量、微米和纳米技术等领域得到了广泛应用2.2.1超精密定位工作台1978 年美国国家标准局开发了一个微定位工作台并用于光掩模的线宽测量为了能在光学和电子显微镜中使用, 要求工作台结构紧凑并能在真空中工作如图8 所示,工作台采用了压电元件驱动, 柔性铰链机构进行位移放大的方案压电元件在低频工作时的能量耗散为零,因此工作台没有内部热源 图8 压电驱动高精度工作台工作台可在50 Lm 的工作范围内,以1 nm或更高的分辨率将物体线性定位工作台还被用于其它显微物体, 如生物细胞、空气污染颗粒和石棉纤维等的尺寸精密测量。

2.2.2超精密机械加工空气轴承具有高精度和低摩擦力而在精密工程领域被广泛采用, 然而由于低的刚度和阻尼使其容易振动, 轴和轴承的形状误差也会使转轴的运动精度降低如图9所示, 利用柔性铰链机构配以压电驱动调整空气垫位置的主动式径向空气轴承可精密控制轴的径向位移实验表明,主动式径向空气轴承具有近乎无限的静态刚度, 并提高了阻尼值, 在750的转速下, 轴的运动精度优于21 nm图9 主动式径向轴承在微型仪器的装配、生物细胞的操作和微细外科手术等领域需要使用微型夹持器如图10 所示微夹持器通过柔性铰链杠杆机构将压电驱动器的位移放大70 倍, 使其2个手指合拢以抓取微小物体A rai等[26]研制的微夹持器运用了2 个压电块分别实现粗定位和精密定位粗定位的压电块通过2 级柔性铰链杠杆机构放大得到最大位移为21218, 精密 图10 微夹持器定位的压电块通过一级柔性铰链杠杆机构放大得到最大位移为8419 2.3柔性铰链国外现状就目前而言，由柔性铰链构成的微动工作台并结合压电陶瓷驱动的微位移系统占据主导地位。

这种微动工作台不仅控制简单，而且可以很容易实现亚微米甚至是纳米级的精度，同时不产生噪声，不发热，可适于各种介质环境工作，是精密机械中理想的微位移结构如图11是美国国家标准局应用柔性支承—压电驱动原理研制成的微动工作台,它采用杠杆原理与柔性铰链结合的整体式结构，利用叠层式压电晶体作为驱动元件图11　一个自由度的柔性铰链微动工作台如图所示，在两个侧壁 P,P之间装入压电晶体驱动元件，当压电晶体两端面施加电压时，产生微量位移（）由于压电效应使杠杆上的a点产生一绕支点b转动的微位移，在c点上使杠杆绕支点d转动并在e点处拉动工作台s作微量位移杠杆的支点为ｆ，工作台s由两个杠杆和上e和g点支持这样，压电晶体的微位移便经过杠杆和放大，其放大比为式中：——放大比 ，，，——杠杆长度，其微动工作台的设计参数为：尺寸范围，分辨精度≤0.001，行程范围1～50由于采用了柔性铰链，故无爬行、无间隙、无轴承噪声、不需要润滑、位移分辨精度高，而且在低频下运行没有内热产生，且结构紧凑，适于各种超精密加工环境，特别是超真空等2.4国内柔性铰链研究成果由于我国柔性铰链技术起步较晚，因此早期很多技术多借鉴国外技术。

在90年代初，我国柔性铰链技术才得以应用与研究如清华大学用柔性铰链—电致伸缩微位移器驱动的两个自由度微动工作台（1992年获国家教委科技进步奖），它可以简化成连个分别进行x,y向运动的平行四连杆机构该工作台的技术指标为：尺寸范围，行程范围0-10，定位精度目前，国内代表产品如哈尔滨芯明天科技有限公司以柔性铰链原理开发的XM-850六维并联微动台，如图12所示，运动方向最大推力为1000N，最大负载为100kg，可内置位移传感器，方便实现闭环控制，闭环重复定位精度为纳米级，控制方式：“压电陶瓷驱动电源”或“XE-50与XE-501模块化压电陶瓷控制系统” 图12 纳米级精密定位工作台2.5 国内外柔性铰链最新研究成果国内最新研究、设计了一种柔性压电式微定位机构[2-4]如图14所示，此机构采用压电陶瓷作为微位移驱动器, 柔性铰链为导向机构, 对丝杠螺母传动的精密机床工作台运位置进行自动补偿通过实验验证, 在精密滚珠丝杠副驱动的超精密加工机床上, 增加柔性压电式微位移机构, 可使机床的定位精度由原来的1μm提高0.01μm，且由于柔性铰链的放大作用, 定位行程达到100μm, 显著改善了机床的性能, 图 13 精密机床工作台微定位原理图能够满足精密、超精密定位精度要求。

目前提出了一种新颖的大行程柔性铰链及应用该种柔性铰链作为被动关节的大行程柔性铰链并联机器人[5]如图14所示，该系统能够在立方厘米级的工作空间内实现亚微米级的运动精度如韩国高等科技大学的Ryu等人研制了三支链柔性铰链平面并联机器人[9-10] ， 驱动元件采用压电陶瓷, 而整体结构中所有被动关节均采用正圆弧型柔性铰链由于压电陶瓷的末端输出行程有限，为得到并联结构末端点较大的工作空间，这里合理的安排了柔性铰链的位置，使得支链均构成了放大结构 Ryu等在建立了整体结构的运动学逆解的基础上，进行运动学标定，并做了大量试验 最终该系统在X、Y 两个方向的轴线位移和Z方向的角位移可分别达41微米、47.8 微米和 图14 大行程柔性铰链并联机器人322.8角秒，而相应的运动分辨率可达7.6纳米、8.2纳米和0.057角秒3 微位移系统由前文中可以得知，柔性铰链的最主要应用就是与压电陶瓷驱动器相结合。