首页 > 论文 > 光学 精密工程 > 22卷 > 2期(pp:338-345)

柔性铰链微定位平台的设计

Design of micro-positioning stage with flexure hinge

  • 摘要
  • 论文信息
  • 参考文献
  • 被引情况
  • PDF全文
分享:

摘要

设计了一种以平行板铰链机构进行导向, 以桥式机构进行位移放大的新型压电陶瓷驱动微定位平台。应用弹性力学和材料力学理论建立该平台的桥式放大机构和平行板铰链机构的理论模型, 分析了平台的驱动力、输出位移、刚度和固有频率, 并运用Matlab软件优化了桥式机构铰链长度、厚度, 平行板铰链长度及厚度等几何参数, 获得了微定位平台的最优值。对优化后的结果进行了有限元仿真, 并搭建了测试系统对平台性能进行了测试。测试结果显示, 理论分析与实验结果的最大误差为9.8%, 有限元分析与实验结果的最大误差为4.2%, 得到的结果验证了理论分析和有限元分析的正确性, 实现了平台体积小, 放大倍数高, 位移输出大的设计目标。

Abstract

A micro-positioning stage driven by a piezoelectric ceramic is developed, which adopts a bridge-type flexure hinge mechanism to realize displacement amplification and uses a parallel board hinge mechanism to guide. Based on elastic mechanics and material mechanics, the theoretical models of bridge-type flexure hinge and parallel board hinge mechanisms are established and the driving force, output displacement, stiffness and natural frequency of the stage are analyzed. The Matlab software is used to optimize the geometric parameters, including the length and thickness of the bridge-type flexure hinge, and those of the parallel board hinge, By which the optimized parameters are obtained. The micro-positioning stage after optimization is simulated by Finite Element Analysis(FEA) and a test system is constructed to measure the micro-positioning stage. The experimental results show that the largest error between theoretical analysis and experimental result is 9.8%, and the largest error between FEA and experimental result is 4.2%, which verifies the accuracy of theoretical analysis and FEA, and achieves the stage design objective in smaller volumes, higher amplification and large displacement outputs.

投稿润色
补充资料

中图分类号:TP242

DOI:10.3788/ope.20142202.0338

所属栏目:微纳技术与精密机械

基金项目:国家自然科学基金资助项目(No. 50905105); 上海市自然科学基金资助项目(No.13ZR1415800); 上海市教育委员会科研创新资金资助项目(No.14YZ008)

收稿日期:2013-10-11

修改稿日期:2013-11-20

网络出版日期:--

作者单位    点击查看

马立:上海大学 机电工程与自动化学院, 上海 200072苏州大学 机器人与微系统研究中心, 江苏 苏州 215021
谢炜:上海大学 机电工程与自动化学院, 上海 200072
刘波:上海大学 机电工程与自动化学院, 上海 200072
孙立宁:苏州大学 机器人与微系统研究中心, 江苏 苏州 215021哈尔滨工业大学 机器人技术与系统国家重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150080

联系人作者:马立(malian@shu.edu.cn)

备注:马立(1977-), 女, 黑龙江佳木斯人, 博士, 副教授, 2007 年于哈尔滨工业大学获得博士学位, 主要从事微操作机器人技术方面的研究。

【1】MIKIO M, SHIN S. Displacement amplifier for piezoelectric actuator based on honeycomb link mechanism[J]. Sensors and Actuators, A: Physical, 2010, 157(1): 84-90.

【2】NI Z Y, ZHANG D W, WU Y J, et al.. Analysis of parasitic motion in parallelogram compliant mechanism [J]. Precision Engineering, 2010, 34(1): 133-138.

【3】张昔峰, 黄强先, 袁钰, 等. 具有角度修正功能的大行程二维纳米工作台[J].光学 精密工程, 2013, 21(7): 1811-1817.
ZHANG X F, HUANG Q X, YUAN Y, et al.. Large stroke 2-DOF nano-positioning stage with angle error correction[J]. Opt. Precision Eng., 2013, 21(7): 1811-1817.

【4】KIM J J, CHOI Y M, AHN D, et al.. A millimeter-range flexure-based nano-positioning stage using a self-guided displacement amplification mechanism[J]. Mechanism and Machine Theory, 2012, 50(4): 109-120.

【5】赵磊, 巩岩, 赵阳. 光刻投影物镜中透镜X-Y柔性微动调整机构[J].光学 精密工程, 2013, 21(6): 1425-1433.
ZHAO L, GONH Y, ZHAO Y. Flexure-based X-Y micro-motion mechanism used in lithographic lens[J]. Opt. Precision Eng., 2013, 21(6): 1425-1433.

【6】林超, 俞松松, 程凯,等. 微/纳米定位平台的动态特性分析与试验[J]. 浙江大学学报, 2012, 46(8): 1375-1381.
LIN C, YU S S, CHENG K, et al.. Dynamic analysis and testing of micro/nano-positioning platform[J]. Journal of Zhejiang University, 2012, 46(8): 1375-1381.

【7】XU Q S, LI Y M. Analytical modeling, optimization and testing of a compound bridge-type compliant displacement amplifier [J]. Mechanism and Machine Theory, 2011, 46(2): 183-200.

【8】MA H W, YAO S M, WAMG L Q, et al.. Analysis of the displacement amplification ratio of bridge type flexure hinge [J]. Sensors and Actuators, A: Physical, 2006, 132(2): 730-736.

【9】KIM J H, KIM S H, KWAK Y K, et al.. Development and optimization of 3-D bridge-type hinge mechanisms [J]. Sensors and Actuators, A: Physical, 2004,116(3): 530-538.

【10】LIN C Y, CHEN P Y. Precision tracking control of a biaxial piezo stage using repetitive control and double-feedforward compensation[J]. Mechatronics, 2011, 21(1): 239-249.

【11】胡俊峰, 张宪民. 3自由度精密定位平台的运动特性和优化设计[J]. 光学 精密工程, 2012, 20(12): 2686-2695.
HU J F, ZHANG X M. Kinematical properties and optimal design of 3-DOF precision positioning stage[J]. Opt. Precision Eng., 2012, 20(12): 2686-2695.

【12】刘鑫, 张志勇. 基于气囊缓冲的载人空降乘员防护装置优化设计[J]. 机械工程学报, 2012, 48(17): 10-20.
LIU X, ZHANG Z Y. Optimal Design of Passenger’s Protection Devices in Manned Airdrop Based on Airbag Cushion [J].Journal of Mechanical Engineering, 2012, 48(17): 10-20.

引用该论文

MA Li,XIE Wei,LIU Bo,SUN Li-ning. Design of micro-positioning stage with flexure hinge[J]. Optics and Precision Engineering, 2014, 22(2): 338-345

马立,谢炜,刘波,孙立宁. 柔性铰链微定位平台的设计[J]. 光学 精密工程, 2014, 22(2): 338-345

被引情况

【1】王忠善,何欣,付亮亮. 空间相机用大口径圆形主反射镜设计. 红外, 2014, 35(9): 15-18

【2】安其昌,张景旭,杨飞,刘祥意. 斜率均方根在TMT三镜面形评价中的应用. 光电工程, 2014, 41(12): 78-81

【3】马立,肖金涛,周莎莎,孙立宁. 杠杆式尺蠖压电直线驱动器. 光学 精密工程, 2015, 23(1): 184-190

【4】周鑫,许允斗,姚建涛,郑魁敬,赵永生. 5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床完整刚度模型及其刚度特性. 光学 精密工程, 2015, 23(4): 1070-1080

【5】胡俊峰,徐贵阳,郝亚洲. 基于响应面法的微操作平台多目标优化. 光学 精密工程, 2015, 23(4): 1096-1103

【6】吴剑威,袁勇,崔继文,刘永猛,谭久彬. 双工件台宏微交接系统设计及实验. 光学 精密工程, 2015, 23(6): 1673-1680

【7】赵荣丽,陈新,李克天. 双柔性平行六连杆微动平台结构的设计及测试. 光学 精密工程, 2015, 23(10): 2860-2869

【8】闫鹏,张立龙,刘鹏博. 具有耦合补偿功能的大行程二维柔性平台. 光学 精密工程, 2016, 24(4): 804-811

【9】凌明祥,刘谦,曹军义,李思忠. 压电位移放大机构的力学解析模型及有限元分析. 光学 精密工程, 2016, 24(4): 812-818

【10】付亮亮,何 欣,王忠善. 某接触型空间反射镜的结构设计与分析. 光学仪器, 2016, 38(3): 216-220

【11】刘敏,张宪民. 基于类V型柔性铰链的微位移放大机构. 光学 精密工程, 2017, 25(4): 999-1008

【12】马 立,杨 斌,田应仲,肖金涛,华晓青,孙立宁. 3-PRR平面三自由度纳米定位平台的设计. 光学 精密工程, 2017, 25(7): 1866-1873

您的浏览器不支持PDF插件,请使用最新的(Chrome/Fire Fox等)浏览器.或者您还可以点击此处下载该论文PDF