用于微操作的柔性三自由度驱动器的设计与分析.doc

用于微操作的柔性三自由度驱动器的设计与分析 周晓军 （江西理工大学机电工程学院，江西 赣州 341000） 摘要：本文设计了一种新型用于微操作的柔性3自由度驱动器，是在传统的并联机构的基础上，采用替换法设计具有解耦性的柔顺并联机构。这个机构包括一个动平台、一个固定平台、三个3R的定长支链和三个压电陶瓷。最后，采用有限元分析软件ANSYS对机构进行柔度和运动学分析，分析结果表明所设计的机构具有解耦性，并且能够实现X、Y、Z三个自由度方向的平动。 关键词：驱动器；压电陶瓷；运动特性；静态结构 中图分类号:TP366.1 文献标识码:A Design And Analysis Of A Flexible 3-DOF Driver Of Using For Micro Operations ZhouXiaoJun (College Of Jiangxi University Of Science And Electrical And Mechanical Services, Ganzhou 341000, China) Abstract: This paper designs a new type of flexible three degrees of freedom for micro operation driver, is on the basis of the traditional parallel mechanism, replacement method is used to design a decoupling of compliant parallel mechanism. It consists of a moving platform, a fixed platform, three set of 3 r long branches chain and three piezoelectric ceramics. Finally, the finite element analysis software ANSYS is adopted to institutions for flexibility and kinematical analysis, the analysis results show that the designed mechanism possesses decoupling, and can realize the X, Y, Z three degrees of freedom in the direction of translation. Keywords: driver; Piezoelectric ceramics; motion characteristic ; static structural 1引言 柔性并联机构是并联微动机器人的主要机构构型之一从柔性机构的本质上看，与其说它是机构，更不如说是一种结构更为妥帖，因为柔性机构的很多特性更容易用后者来解释。但无论是从柔性机构的起源还是从其应用的范畴上讲，它又与机构联系更为紧密，人们更为关注的是它的机构学特性。 微纳米级定位工作台在精密加工与精密测量、微电子工程、生物工程、纳米科学与技术等领域的作用已越来越重要，应用越来越广泛，对其要求也越来越高，不但要具有微纳米级的定位精度，且要有较大的运动行程，同时，还要具有优良的稳定性和刚度及快速的响应等。柔顺机构是以柔性铰链代替传统运动副，采用柔性铰链的弹性变形传递或转换运动和力的一种新型免装配机构。柔顺并联机构作为一种新型的传动结构形式，具有无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高和加工简单等优点，特别适宜用于精密定位领域的传动机构。 微位移机器人是将机器人微型化，把它缩小到与被操作物相同数量级的尺度，便于进入微小空间并进行操作，比如进入人的血管进行检查。和微型机器人相比，微位移机器人的外形尺寸未必很小，但其操作对象和运动范围很小，能够实现精细操作，不仅可以完成先前无法实现的精细操作，而且可以用来改变常规系统的性能，进行细胞级、亚细胞级的自动操作，如细胞融合、存储、切割等。这使得微动机器人在精密加工、医学工程和微电子等精密工程领域都获得了很好的应用[3]。已经成为超精密加工、半导体工业、自适应光学等许多尖端领域的关键技术。因此，微位移机构系统有着广阔的应用前景和巨大的发展潜力。 2 柔性3自由度驱动器的设计 柔性铰链也可以称之为柔性转动副，他们的结构产对整体的柔性3自由度驱动器的性能产生巨大的影响。在此，我们选择半圆型的柔性铰链，如图3-1和3-2所示。其中各个尺寸如图所示：柔性铰链的宽度b=15mm，柔性铰链的切屑半径R=5mm，柔性铰链的厚度t=1mm，柔