基于锆钛酸铅薄膜的变形镜微致动器

以锆钛酸铅（PZT）薄膜作为驱动材料,制备了变形镜的微致动器阵列．使用有限元软件对致动器进行了模拟仿真,得到了驱动器上电极尺寸、Si弹性层厚度等参数对致动器性能的影响,获得了最优化的致动器结构．以钙钛矿相的镍酸镧（LNO）作为PZT薄膜在Pt衬底上生长的缓冲层,增强了PZT薄膜的（100）取向,减小了PZT薄膜的内部应力,提高了致动器的驱动性能．最终制备出的1μm厚PZT薄膜驱动的变形镜微致动器,在10V直流电压的激励下,具有2．0μm的变形量．以PZT薄膜作为驱动材料制备的变形镜微致动器阵列,对变形镜致动器的微型化和系统集成度的提高具有重要意义．     

基于柔性铰链的新型快速伺服刀架设计

针对目前用于非圆精密加工的快速伺服刀架只能提供单向驱动力的问题,设计了一种基于柔性铰链的新型快速伺服刀架。建立了刀具放大结构的力学模型,利用理论力学的知识推导出刀具的放大率、刚度和固有频率解析式,并对实验刀具进行有限元分析。为了验证理论计算和有限元分析结果的准确性,对刀具进行实验测试。测试结果显示,理论计算结果与实验结果的最大误差为14.87%,平均误差为12.635%,有限元分析结果与实验结果的最大误差为6.54%,平均误差为5.925%,表明理论计算和有限元分析的准确性。最后提出了一种快速伺服刀架参数的初选流程,为快速伺服刀架的研究提供一定的理论基础。     

用于双探针原子力显微镜的定位平台的设计及实验验证

针对双探针原子力显微镜的需求,设计了一种提供精确位移的大行程定位平台。采用柔性铰链和压电陶瓷致动器分别作为定位平台的导向机构和驱动机构。在 X、Y和Z轴运动方向通过并联机构实现独立位移。对定位平台进行数学建模,分析和计算定位平台的工作刚度和固有频率,并进行了有限元仿真分析。以电容传感器作为位移测量单元构建了定位平台实验装置,并进行了实验验证。实验结果表明:定位平台在X与Y轴方向上拥有 110μm 的行程,分辨率为5nm,在Z轴方向上拥有45μm的行程,分辨率为5nm。     

新型柔性铰链的柔度计算

在力或力矩作用下,柔性铰链将会产生相应的微弹性变形,其柔度性能是表征载荷与形变关系的量度,直接影响着柔性铰链的运动精度和综合性能.目前柔性铰链的设计一般基于繁琐的数值积分方法和有限元技术来计算柔性铰链的性能指标.在提出一种新型柔性铰链的基础上,基于弹性静力学基本公式和微积分理论,推导出一种新型柔性铰链的柔度计算公式,为新型柔性铰链的设计提供了理论依据;严格推导出柔性铰链中心轴线上任意位置的变形公式,实现了柔性铰链的精确设计计算.采用ANSYS软件对理论公式的准确性进行验证,两种结果十分吻合.     

同步辐射光束线中柔性铰链的设计

为同步辐射光束线设计了一种新型的柔性铰链——直圆倒角复合柔性铰链。分析计算并通过实验验证了直圆倒角复合柔性铰链性能。与直圆柔性铰链相比,直圆倒角复合柔性铰链具有柔度大、转动精度高等优点,可在不损失精度的情况下大大提高微调机构的柔性;在要求最大转角一定的情况下,可大大降低对作动器驱动能力的需求,也使得机构内的应力大为减小。     

被减振物体连接于弹性地基时动力吸振器的设计

当被减振物体连接于弹性地基时,定义被减振物体与弹性地基连接点处的动刚度,给出被减振物体幅频响应和振幅放大系数的计算公式。利用有限元方法计算不同弹性特性的地基与被减振物体连接点处的动刚度。分析被减振物体与弹性地基连接点处的动刚度对被减振物体振动的影响。计算结果表明：当连接点处的动刚度大于５０倍的被减振物体与弹性地基的连接刚度时,可基本忽略弹性地基对吸振器设计的影响。该计算方法和相关结论可为被减振物体连接于弹性地基上时,动力吸振器的设计提供借鉴。     

三坐标测量机微纳探头的设计与验证

介绍了国内外测量探头的研究现状;设计了基于簧线和簧片的弹性机构,建立了典型结构:弹性机构的刚度模型,对不同形状的弹性机构进行了仿真验证;介绍了作者团队研制的几种光学传感器及八款三坐标测量机微纳探头,对探头的性能进行了实验验证与测试;对三坐标测量机微纳测量探头的研究和发展趋势进行了总结和展望。     

MEMS变形镜用PZT厚膜致动器阵列的制备及性能表征

提出了一种基于锆钛酸铅(PZT)压电厚膜致动器阵列驱动的MEMS微变形镜,建立了该微变形镜的结构模型,分析了其结构中各层厚度对其性能的影响.PZT压电厚膜是通过基于PZT压电陶瓷体材料的湿法刻蚀技术制备的,刻蚀液为1BHF2HCl4NH4 Cl4H2O.以数字锁相方法测试了压电厚膜的介电性能,在100 kHz以下时,其介电常数和介质损耗分别优于2400和3%.利用悬臂梁方法测试了压电厚膜的也.横向压电系数,约为-250 pm/V.制备了4×4阵列的压电致动器阵列.采用激光多普勒测试压电致动器的电压位移曲线,在100 V的电压驱动下致动器的变形量大约为2.2/μm;测试了致动器的频率响应,其谐振频率高于100 kHz;致动器刚度大,带负载能力强.     

一种动刚度的测试方法及其在动平衡中的应用

基于Jeffcott转子,利用转子不平衡激振力与转子不平衡响应的线性关系,提出了一种不受初始弯曲影响的动刚度测试方法。利用动刚度与影响系数之间的关系,提出了基于动刚度的无试重动平衡方法。通过建立双盘单转子实验器,测试盘的暂态不平衡响应曲线,计算出全转速下盘处的动刚度,对这种动平衡理论进行了验证,实验表明这种方法的平衡效果显著。     

新型智能隔振复合结构的动态特性研究

针对精密机械的微位移隔振问题,设计了一种以PVDF压电薄膜为作动器和传感器的新型智能隔振复合结构。根据压电方程推导出了层叠式PVDF压电薄膜作动器厚度变形量表达式,建立了该智能复合结构的隔振理论模型,采用LMS自适应控制算法,以Matlab和有限元混合建模分析方式对本智能隔振复合结构的动态特性进行研究。有限元模型的分析结果与Matlab计算数据一致,验证了本新型智能隔振复合结构对微位移隔振的有效性,其结论将为精密仪器、微纳米设备的微位移智能主动隔振奠定理论基础。     

Key features of flexure hinges used as rotational joints

This article is supposed to serve as a guide for the design of flexure hinges that act as rotational joints. Firstly, flexure hinges with concentrated and distributed compliance are reviewed. They can be modeled by linear beam theories or by the theory of Elastica, respectively. Secondly, the transition between these limit cases is investigated by finite element methods (FEM). A planar symmetric flexure hinge with a circular notch serves as an exemplary geometry. By extending the notch the compliance is distributed. The deflection curves and the kinetics of desired and parasitic motions are chosen as key features to be studied. The corresponding results are compressed into a pseudo-rigid-body model (PRBM) approximation for a range of geometries. It turned out that the concentrated compliance matches best with an ideal rotational joint, but even for small displacements large stresses occur so that its range of operation is small. Distributing the compliance increases the range of operation, however stiffness within the task space decreases dramatically so that the design of a flexure hinge becomes a tradeoff between the two concurring goals large stiffness and large range of operation.     

直角柔性铰链的力学特性

为了深入分析精密传动用柔性铰链的机械性能,在研究常用结构形式柔性铰链力学特性的基础上,对变形敏感的直角柔性铰链的力学特性进行了分析．建立了直角柔性铰链空间力学模型,推导了空间刚度矩阵表达式．在此基础上。从柔性铰链基本结构尺寸等方面研究了影响柔性铰链刚度性能的因素,研究发现影响柔性铰链变形性能的刚度系数与柔性铰链几何尺寸参数和构成柔性铰链材料的弹性模量密切相关．研究表明,当柔性铰链的有效长度增加或材料的弹性模量降低时,其各方面的刚度系数均有不同程度的降低．研究工作对深入分析柔性铰链力学特性、优化设计压电驱动器结构,提高其综合性能具有一定的意义．     

双轴椭圆柔性铰链的设计计算

利用矩阵论、能量法、卡氏第二定理和微积分的知识推导出了双轴椭圆柔性铰链设计计算公式,并用有限元分析方法对所推导的公式进行了验证。实际应用和ANSYS软件分析的结果表明了所推导的双轴椭圆柔性铰链的柔度计算公式是正确的,是可以用于实际双轴椭圆柔性铰链的设计计算的。     

一种并联微动工作台柔性机构的理论设计方法

文章分析一种平面3RRR并联微动台的理论设计方法,利用微动台的运动范围、分辨力,柔性铰链的转动刚度、许用应力等设计指标,讨论了柔性机构各尺寸与这些设计指标之间的关系,在充分发挥压电陶瓷和并联机器人原理的优势上,初步完成了整个柔性机构的构建,为之后的进一步优化创造了条件.     

圆弧型柔性球铰柔度设计计算

 通过研究圆弧型柔性球铰的柔度性能,使该柔性球铰可代替传统的双轴柔性铰链应用于空间多自由度柔顺机构.根据《材料力学》中的卡氏第二定理,圆弧型柔性球铰柔度的解析公式被推导出,然后利用ANSYS12.0软件对其进行有限元分析, 结果表明有限元分析与解析式的计算结果基本一致.通过改变圆弧型柔性球铰的各结构参数来分析其性能,得出各结构参数对其柔度的影响大小依次为：最小截面直径 t、圆弧的圆心角θ^_m、圆弧半径R、杨氏模量E. 此设计计算和特性分析为柔性球铰在柔顺机构的应用提供了依据.     

一种非对称式压电驱动微夹持器

针对微管类(直径0~300μm)零件的夹持需求,基于有限元分析设计了一种非对称式压电驱动的微夹持器.该微夹持器采用柔性铰链实现压电陶瓷输出位移的传递和放大.采用平行四杆机构实现夹钳末端的平行移动.通过检测柔性铰链处应变的方法,间接地测量夹持力和位移信息.微夹持器的实验特性显示位移的放大倍率为5.6倍,夹持器末端夹钳可以实现平行移动.力和位移标定实验中显示夹持力的分辨力在2.41 m N,位移的分辨力在0.22μm,且力/位移与应变具有很好的线性关系.采用增量式PID的控制算法对系统进行力/位移的闭环控制.以微型玻璃管(直径150μm)夹持为例,系统的阶跃响应实验显示,系统的力/位移控制可以实现无超调.实验结果表明增量式PID控制算法可以实现对本微夹持器力/位移的准确、稳定控制.     

大行程串联柔性机构分析与设计

为提高柔性支承精密定位系统的行程,以传统直圆型柔性铰链为基本单元,提出一种新型大行程串联柔性机构.刚度与最大应力是影响大行程柔性机构性能的两个重要参数.采用伪刚体模型法,结合材料力学相关理论,建立了该柔性机构刚度和最大应力的理论模型.理论计算结果与非线性有限元分析结果相符,证明理论模型的正确性.在此基础之上,分析了大行程串联柔性机构的设计方法,验证了设计实例在大行程内的可靠性.脉冲响应测试实验结果表明由大行程串联柔性机构支承的精密定位系统定位误差不大于60nm.     

椭圆柔性铰链的计算与分析

基于材料力学中的变截面梁的弯曲理论,通过引入椭圆离心角作为积分变量,直观地得到了椭圆型柔性铰链的柔度计算的积分公式。通过定义中间参数,推导出了较为简洁的解析计算公式,从而避免了费时的数值积分。分别分析了切口几何形状、尺寸以及最小厚度与铰链的柔度之间的关系。用有限元分析软件ANSYS分析了多个不同尺寸的椭圆柔性铰链。有限元方法分析结果与此解析计算公式的计算结果吻合得很好,说明了此解析计算公式的正确性。     

Simultaneous optimal design of topology and size for a flexure-hinge-based guiding mechanism to minimize mass under stiffness and frequency constraints

The guiding mechanism based on flexure hinges (FHs) is widely used in micro/nano-manufacturing technology. Both the stiffness and the frequency of FHs play significant roles in their dynamic performance, so the design task of such a structure is to find the optimal topology and corresponding size of FHs under stiffness and frequency constraints. However, the existing optimization methods pay more attention to the stiffness than to the frequency constraint owing to difficulties in dynamic topology optimization. In this article, with the symmetrical layout assumption of FHs and the analytical equivalent stiffness and mass expression of a single FH, the simultaneous topology and size optimization problem is converted to an analytical optimization formula with both discrete and continuous variables. Finally, the tension stiffening effect is used to compensate for manufacturing errors. A design case is used to illustrate the efficiency of the proposed method.     

两种典型柔性铰链导向机构的稳定性分析

为了分析两种柔性铰链导向机构的稳定性以及柔性铰链参数对导向机构稳定性的影响,本文结合卡氏位移定理和能量法,分别推导了柔性铰链导向机构在运动方向、垂直于运动方向和绕z轴转动方向的刚度计算公式,并应用推导公式对两种导向机构3个方向上刚度进行实例对比,分别计算其3个方向上的谐振频率,并根据谐振频率分析稳定性.最后改变柔性铰链的参数,用MATLAB分析其对导向机构稳定性的影响.结果表明,刚度推导公式的有限元验证和理论计算结果误差在1.10%~13.79%,证明了推导公式的正确性;同时,谐振频率的理论计算数据对比表明双平行四杆导向机构具有更好的稳定性,MATLAB分析得出铰链的切口半径r对微动平台的稳定性和承载能力影响程度最大.谐振频率的对比分析和柔性铰链参数对稳定性的影响分析为微动平台设计时导向机构的选取提供了参考.