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基于柔性铰链的桥式微位移机构特性探析
全柔性机构是一种新型机构，通过采用免安装、无间隙和无摩擦的设计方式可实现微米级甚至纳米级的高精度。为了达到精密运到的目的，全柔性机构多采用高精度的微位移驱动器。压电陶瓷驱动器是近年来应用越来越广泛的新型微位移器件，它具有体积小、出力大、分辨率和频响高的优点，且不发热、无噪声。然而压电陶瓷驱动器的输出位移仅限制在在几微米到几十微米范围，因此全柔性机构通常要采用微位移放大机构来实现对压电陶瓷输出位移的放大和传递。
目前，常用的微位移放大机构主要有杠杆原理放大机构和桥式放大机构。
基于杠杆原理的微位移放大机构结构简单、刚性好、功效比高，理论上可以实现输入输出的线性关系，但是其一级放大倍数是有限的，复合式杠杆放大机构体积较大、放大比失真严重。
而根据三角放大原理设计的桥式放大机构具有结构紧凑、易于加工以及具有较高的放大倍数等特点，近些年来得到了广泛的关注。
Jun Hyung Kim等人采用矩阵法建立了柔性铰链的刚度矩阵并对桥式放大机构进行了优化设计；马洪文等人采用弹性梁理论分析了微位移桥式放大机构的放大比等特性。N. Lobontiu等人基于应变能原理与卡氏第二定理推导了桥式放大机构的位移和刚度计算公式。张兆成等人采用了伪刚体模型和卡氏第二定理研究了桥式柔性铰链的刚度和应力模型。本文采用解析法建立了桥式放大机构的变形公式，在所建模型的基础上，进一步分析了桥式放大机构的刚度、放大比等特性，采用ANSYS 软件进行仿真，并设计了相关的验证实验。
1 桥式放大机构数学模型
柔性桥式微位移放大机构是在一块金属材料上采用线切割技术整体加工而成。为了保证良好的导向性能，桥式微位移放大机构通常设计成全对称结构，并要求其在运动方向上具有良好的灵敏度，同时在整体上还应具备一定的刚度。桥式微位移放大机构采用全对称设计，其由4 个柔性支链组成，因此对桥式微位移放大机构特性的分析可以简化为对其柔性支链的特性分析，柔性支链的数学模型。
为便于分析，作如下假设:
1)除柔性铰链外，柔性机构的其他部分均为刚体；
2)材料为均匀的各向同性材料；
3)柔性桥式微位移放大机构是全对称的；
4)柔性铰链的变形是线弹性的，且弹性变形相对较小。
2 有限元仿真
为验证上述理论模型的有效性，对桥式微位移放大机构进行有限元分析是必要的。因为在所建模型接近真实模型的前提下，有限元计算的结果可被认为是一种相对准确的结果。
本文利用商用软件ANSYS11.0 对桥式微位移放大机构进行有限元建模与分析。有限元仿真的条件为：使用Solid45 单元建立模型，用扫掠法对网格进行划分。F=60N 时，桥式微位移放大机构的有限元仿真结果。
当桥式微位移放大机构的长度一定时，其位移放大比主要取决于柔性铰链的间距ly，柔性铰链间距ly 对桥式微位移放大机构性能参数影响的理论计算与有限元仿真结果，通过理论值与有限元仿真值的分析比较可以得出如下的结论：
1）桥式微位移放大机构的X 轴输出位移与柔性铰链间距ly 的关系呈指数关系；
2）桥式微位移放大机构的Y 轴输出位移随柔性铰链间距ly 的增大而正大，基本保持线性关系；
3）当柔性铰链间距ly 的逐渐增大时，桥式微位移放大机构的位移放大比先增大后减小；
4）输出位移放大比和误差分析表明，减小柔性铰链的间距ly，可以实现位移放大比的增大，但当ly 过小时，放大比会急剧降低；
5）该结构形式的桥式微位移放大机构理论上可以实现40 倍以上的位移放大功能，但由于输出位移放大的同时，误差也会被放大，因此，在设计桥式微位移放大机构的时候，放大比不宜过大。
3 试验验证
采用中走丝电火花数控线切割机床加工桥式微位移放大机构。材料选择65Mn，柔性铰链的间距ly＝3.0(mm)。
压200V，标称位移为65μm，回零误差≤0.05μm。压电陶瓷驱动电源为CETC 第26 研究所的DWY-3 型微位移器驱动电源，电源输入电压为220VAC，外部输入电压为0~5V，输出电压为0~300VDC，输出电压纹波＜50mv，分辨率为0.1V。微位移检测装置为日本KEYENCE 公司的LK-30 型激光位移传感器，测量范围为±5mm，分辨率为F.S.*±0.05%，重复精度为0.05μm，采样频率可高达50KHz。
4 结论
本文主要分析了桥式微位移放大机构的运动学特性，利用对称性建立了数学模型，并采用弹性梁理论推导了桥式微位移放大机构的位移输出公式，进而可以得到其位移放大比公式；采用有限元分析软件进行仿真分析并与理论模型进行比较，重点分析了柔性铰链间距ly的不同尺寸参数对桥式微位移放大机构位移放大比的影响；最后设计加工了一个实验样件，通过实验对比验证了理论模型的可行性。这些工作为深入研究大位移全柔性微位移机构的特性，从而实验对其机械结构的优化设计，提高其综合性能等方面提供了较为重要的理论意义和实用价值。
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