基于柔性铰链的微位移放大机构设计

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1、基于柔性铰链的微位移放大机构设计于志远，姚晓先，宋晓东（北京理工大学宇航科学技术学院北京100081）摘要：为了对柔性铰链进行优化设计，定义了一个新的参数并用它来讨论5种常见的柔性铰链—直梁型柔性铰链、圆角直梁型柔性铰链、椭圆型柔性铰链、抛物线型柔性铰链和双曲线型柔性铰链。首先建立了一个柔性铰链的有限元模型并用理论分析验证它的正确性。由于刚度是影响柔性铰链性能的最重要的参数，定义了一个参数λ——柔性铰链凹口处长与宽的比值。然后通过有限元分析得出5种柔性铰链刚度比值ε的曲线，并且基于此比值设计了一个压

2、电致动器的微位移放大机构。本文的设计方法以及刚度比ε有助于我们设计这一类型的微位移放大机构。关键词：柔性铰链；有限元；压电致动器中图分类号：TH112.5文献标识码：A国家标准学科分类代码：460.2099Designofmicro-displacementamplifierbasedonflexurehingesYuZhiyuan,YaoXiaoxian,SongXiaodong（SchoolofAerospaceScienceandEngineering,BeijingInstituteofTe

3、chnology,Beijing100081,China）Abstract：Tooptimizethedesignofflexurehinges,anewparameterisdefinedtodiscussthestiffnesscharac-terizationoffivegeneralflexurehinges,whichareleaftypeflexurehinge,corner-filledflexurehinge,ellipticalflexurehinge,parabolicflexu

4、rehingeandhyperbolicflexurehinge.First,afiniteelementmodelofflexurehingesisdevelopedandconfirmedbythetheoreticalformulationdata.Becausethestiffnessisthemostimportantpa-rameterstoaccesstheperformanceofflexurehinges,wefindaparameterλ,whichisdefinedasther

5、atioofthelengthandwidthofthenotch.Thenthestiffnessratioεoffivegeneralflexurehingesisobtainedbyfiniteelementanalysis.Basedonthisratio,amicro-displacementamplifierisdesignedwhichusedforpiezoelectricactuator.Thismethodandthestiffnessratioareveryhelpfultod

6、esignthemicro-displacementamplifier.Keywords：flexurehinges;finiteelement;piezoelectricactuator柔性铰链，并对多组几何参数的柔性铰链进行有限元分析，并将结果进行了比较。Lobontiu[8-10]等人介绍了圆角直梁型柔性铰链、抛物线型柔性铰链和双曲线型柔性铰链的几何构造，推导了用柔度表征的柔性铰链转动以及伸缩的弹性运动的方程。Xu和King[11]进行了静态有限元分析，比较了直圆型柔性铰链、圆角直梁型柔性铰链

7、和椭圆型柔性铰链的运动形式、应力以及刚度特性。Chen[12]介绍了两种复合型柔性铰链——直圆型－圆角直梁型和直圆型－椭圆型柔性铰链，复合柔性铰链更适用于高精度大位移的工程应用。本文建立了一个柔性铰链的有限元模型，并且用理论计算出的数据与仿真数据比较以验证该模型的准确性。提出了一个通用性的参数λ用来讨论直梁型、圆角引言1作为精密机械与精密仪器的关键技术之一，微位移技术随着微电子、宇航和生物工程等学科的发展而迅速发展起来。柔性铰链以其无空回和无机械摩擦、运动平滑以及分辨率高等优点广泛的应用在科研以及工

8、业装置中。这些装置包括微位移平台[1]、超精密机械加工[2]、微夹持器[3]、加速度计[4]、陀螺仪、扫描隧道显微镜[5]、运动导轨、导弹控制装置、高精度照相机、天线和阀等。1965年，Paros和Weisbord[6]最先介绍了直圆型柔性铰链，通过计算单轴和双轴柔性铰链的柔度公式，推导了精确以及简化的设计公式。Smith等人[7]介绍了椭圆型第9期于志远等：基于柔性铰链的微位移放大机构设计1819EbR2M直梁型、直圆型、椭圆型、抛物线型和双曲线型柔性铰链的刚度特性