1 天津职业技术师范大学 机械工程学院，天津 300222
2 天津职业技术师范大学 机械工程学院，天津 300222天津市高速切削与精密加工重点实验室，天津 300222
为了能够实现高精度的微纳米级转动，该文基于柔性铰链设计了一种单压电陶瓷驱动的纯转动微定位平台。平台采用圆周阵列式柔性梁实现运动导向与解耦，通过杠杆机构增大动平台转动行程。首先通过有限元仿真验证了圆周阵列式柔性梁对动平台轴心漂移的抑制作用，然后通过实验对其运动特征进行测试与分析。测试结果表明，该机构具有良好的回转精度，在x轴正方向轴心漂移量为0~0.23 μm，y轴负方向轴心漂移量为0~4.59 μm，旋转弧度可达916 μrad，旋转精度为0.53 μrad。轴心漂移补偿后整体误差最大为4.9%。
压电陶瓷 微转动平台 柔性铰链 轴漂 旋转弧度 piezoelectric ceramic micro-rotational platform flexible hinge axial drift rotation radian
1 石家庄铁道大学 河北省交通安全与控制重点实验室, 河北 石家庄 050043
2 石家庄铁道大学 交通运输学院, 河北 石家庄 050043
3 石家庄铁道大学 河北省大型结构健康诊断与控制实验室, 河北 石家庄 050043
4 石家庄铁道大学 机械工程学院, 河北 石家庄 050043
5 石家庄铁道大学 材料科学与工程学院, 河北 石家庄 050043
为实现中高频振动信号的测量，本文设计了一种基于轴承和柔性铰链结构的光纤布拉格光栅加速度传感器。首先，基于理论力学模型推导出其固有频率、灵敏度与结构参数的数学模型，然后进行结构优化设计，并制作了传感器实物。在此基础上，对所设计传感器动态特性进行有限元仿真和实验测试。研究结果表明：传感器工作频率为10～1200 Hz，加速度灵敏度达17.25 pm/g，测量误差小于0.3 g，线性度大于0.99，重复性误差为2.33%，且能实现温度补偿。
传感器 加速度传感器 光纤布拉格光栅 中高频 轴承 柔性铰链 sensor accelerometer fiber Bragg grating mid-high frequency bearing flexure hinge
1 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院力学研究所，北京 100190
探测低频引力波需要脱离地缘噪声干扰，在空间搭建激光干涉引力波探测装置。太极、LISA、天琴等空间引力波探测任务，计划在几十万到几百万公里量级的臂长上实现皮米级的位移测量精度，以满足引力波探测的要求。在探测任务中，考虑轨道季节性变化和星间激光传输时间等因素，发射光束需要一个超前角度，确保远端望远镜能够接收到光束，从而完成星间激光干涉。针对发射光束需要超前角度的需求，设计并研制了一款用于激光干涉链路中提供超前角度的光束指向机构，即超前瞄准机构。该机构基于将偏转轴配置在反射镜面上的设计理念，采用柔性铰链和杠杆配合的结构形式，利用压电陶瓷自闭环进行驱动控制，实现光束一维高精度偏转。对该机构进行仿真分析，验证其力学特性以及偏转范围。对所研制的机构进行了一系列实验测试，结果表明，该机构偏转范围可达到
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μrad，偏转精度可达到
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μrad，机构偏转引起的光程差优于
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(1~10 Hz)。从而验证了该机构设计的可行性，为实现光束超稳高精度偏转提供一定的参考。
红外与激光工程
2023, 52(4): 20220423
武汉理工大学 光纤传感技术与网络国家工程研究中心, 武汉 430070
针对振动测量中三维振动信号测量需要, 基于柔性铰链设计了一种光纤光栅(FBG)三维加速度传感器。构建了传感器拾振机构的振动模型, 介绍了传感器的结构模型和测量原理, 推导了传感器谐振频率和灵敏度理论公式, 建立了拾振机构的数学模型, 并用MATLAB对传感器拾振机构关键尺寸参数进行优化设计。根据优化后尺寸制作了传感器, 通过振动实验对其进行性能测试。实验结果表明: 该传感器在X轴、Y轴和Z轴方向的谐振频率分别为673, 667和1376Hz, 工作频率区间分别为0~220Hz, 0~220Hz和0~450Hz, 灵敏度分别为72.3, 70.2和83.1pm/g。所设计的传感器具有较好的横向抗干扰能力, 能够满足三维振动信号测量的要求。
光纤光栅 三维加速度传感器 柔性铰链 振动测量 fiber Bragg grating three dimensional acceleration sensor flexible hinge vibration measurement
1 季华实验室，广东 佛山 528200
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
为了减轻大尺寸（740 mm×480 mm）矩形扫描反射镜的质量并保证反射镜的面形精度，结合二维和三维等效刚度模型设计了背部开口、以三角形轻量化孔为主、轻量化率为81.4%的轻量化结构。基于球头万向节与柔性铰链原理，设计了两种背部三点支撑方式的SiC扫描反射镜组件。有限元分析结果表明，在Y方向重力及40 ℃均匀温差耦合工况下，球头万向节与柔性铰链支撑方式的反射镜面形误差均方根（RMS）值满足小于等于0.025λ（波长λ=632.8 nm）的设计要求，分别为12.3 nm和12.9 nm，一阶固有频率分别为68.1 Hz和85.5 Hz，且柔性铰链结构的刚度更好。采用自准直法测量扫描反射镜组件的面形误差，结果表明，面形误差的RMS值为0.025λ，满足实际要求，为大口径矩形扫描反射镜组件的设计提供了参考依据。
光学设计 扫描反射镜 球头万向节 柔性铰链 面形误差 激光与光电子学进展
2022, 59(5): 0522001
1 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院大学，北京 100049
针对光刻投影物镜中动镜X-Y向调节机构精度高、行程小、结构紧凑的需求，提出了一种X-Y向一体式调节机构。所提机构基于四连杆调节原理，利用内外圈独立分布的X-Y向柔性铰链，无需解耦即可实现X/Y向高精度调节。首先根据投影物镜中动镜的调节精度和行程，完成所提机构的结构设计；然后运用有限元分析法仿真分析所提X-Y向柔性调节机构的性能。分析结果表明：所提机构调节行程大于±20 μm，X向、Y向的刚度值分别为0.542 μm/N、0.671 μm/N；单X、Y向开环驱动时，垂直方向耦合误差与主方向移动量之比分别为6.86%、4%；模态大于100 Hz。最后，对所提调节机构进行了性能测试实验，X向重复定位精度为36.3 nm，Y向为41.7 nm；调节过程中，角度偏移小于0.5″。实验结果表明，所提柔性调节机构能够满足光刻投影物镜像质补偿对X-Y向高精度调节要求。
成像系统 光刻物镜 像质补偿 动镜 X-Y向调节机构 柔性铰链 激光与光电子学进展
2022, 59(4): 0411002
1 河北石油职业技术大学河北省仪器仪表工程技术研究中心，河北 承德 067000
2 河北水利电力学院机械工程系，河北 沧州 061000
3 河北省工业机械手控制与可靠性技术创新中心，河北 沧州 061000
4 承德五岳测控技术有限公司，河北 承德 067000
将开放式柔性铰链-杠杆结构与金属化光纤布拉格光栅（FBG）相结合，设计了一种用于动态轨道称重的FBG压力传感器。首先，采用金属化FBG，使FBG可以便利地焊接在柔性铰链支架上。然后，使用高响应频率的FBG解调仪快速读取实验数据。最后，利用FBG压力传感器，有效解决了测试系统的电磁干扰问题，并用铰链连接取代刚性连接，以提高传感器的灵敏度。实验结果表明，该传感器的压力灵敏度能达到60.8 pm/t，应变灵敏度为5.653 pm/με。
传感器 柔性铰链 动态轨道称重 金属化 光纤布拉格光栅 激光与光电子学进展
2022, 59(3): 0328001
1 浙大宁波理工学院 机电与能源工程学院, 浙江 宁波 315100
2 浙江大学 机械工程学院, 浙江 杭州 310027
3 宁波市博尔法液压有限公司, 浙江 宁波 315502
压电陶瓷材料具有优良的力学性能和响应特性, 将其作为智能执行器应用于液压阀中, 是持续多年的研究热点。但压电驱动器输出仅为微米级, 难以直接满足液压阀的使用要求, 因此需要设计相应的微位移放大机构。首先, 重点介绍了柔性铰链放大机构及其在压电阀中的典型应用, 根据原理可分为杠杆、三角、桥式等放大形式; 其次, 归纳了基于液压放大和晶片放大机构的两类压电阀的代表性结构和性能特点; 最后, 分析对比了三类放大机构应用于压电阀中的优缺点。结果表明, 铰链放大结构简单, 再现性好; 液压放大占用空间小, 频带宽, 倍数高; 晶片放大频响高, 只适用于伺服和先导控制。
压电阀 放大机构 柔性铰链 液压放大 压电晶片 piezoelectric valve amplification mechanism flexure hinge hydraulic amplification piezoelectric bimorph
红外与激光工程
2021, 50(10): 20210118
