杠杆-复桥式3D压电微定位平台设计与分析

摘要

【目的】针对目前微定位平台体积大、小行程的问题，提出了一种基于杠杆-复桥式的新型位移放大机构，设计了可实现大行程运动的三自由度压电微定位平台。【方法】首先，提出压电微定位平台的结构并分析其工作原理：压电驱动器产生初始位移，该位移先被复桥结构放大，再通过杠杆机构进行二次放大，将最终放大的位移输出到动平台。其次，设计并优化杠杆位移放大机构和复桥位移放大机构，根据静力学、材料力学和弹性力学理论建立杠杆位移放大机构和复桥位移放大机构的刚度模型和位移放大比数学模型。根据理论模型对杠杆位移放大器和复桥位移放大器的尺寸进行优化，优化后的总体放大倍数为20.6。再次，对柔性铰链进行结构优化，针对4种典型的切口形状进行有限元仿真研究，在分析4种柔性铰链输出位移与输入力的关系后确定采用直梁型柔性铰链。对整体压电驱动微定位平台进行有限元仿真，分析压电陶瓷制动器变形放大后的位移输出性能和绕x轴、y轴的转动输出性能。最后，对所设计的压电驱动微定位平台进行输出测试，并对位移放大器的z轴方向位移输出性能和绕x轴、y轴的转动输出性能进行实验验证。【结果】有限元仿真结果显示，压电驱动微定位平台的动平台在z轴方向的输出位移最大约为740μm,仿真放大倍数为15,绕x轴、y轴的最大输出转动角度分别为0.83°和0.86°。压电驱动微定位平台的输出测试结果显示升压曲线与降压曲线不重合，具有迟滞现象，z方向的最大输出位移为706μm,当电压为30 V时，迟滞位移最大为65μm。绕x轴方向最大输出角度为0.8°,绕y轴方向最大输出角度为0.79°。当电压为30 V时，绕x轴方向迟滞角度最大为0.062°;当加载电压为45 V时，绕y轴方向迟滞角度最大为0.047°。与仿真结果对比，沿z轴方向移动以及绕x轴和y轴方向旋转的最大误差分别为34μm、0.03°和0.07°,其对应的最大相对误差分别为4.6%、3.6%和8.1%。【结论】基于杠杆-复桥式新型位移放大机构的压电微定位平台能有效解决压电陶瓷输出位移小的问题，实现了大行程运动。

关键词

微定位平台 / 小行程 / 三自由度 / 柔性铰链 / 杠杆机构 / 复桥机构 / 有限元 / 最大误差

基金资助

国家自然科学基金项目(52005345,52005344); 国家重点研发计划项目(2020YFC2006701)