毕业设计论文基于柔性铰链的微位移设计

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1、第一章 绪论1.1 柔性铰链简介1.1.1 柔性铰链定义柔性铰链作为一种小体积、无机械摩擦、无间隙和运动灵敏度高的传动结构，被广泛应用于各种要求微小线位移或角位移、且高精度定位的场合。开创了工作台进入毫米级的新时代。柔性铰链有成千上万的应用，如：陀螺仪、加速度计、天平、控制导弹的喷嘴、控制器 显示仪、记录仪、调整器、放大连杆、计算机、继电器和传动连杆。60年代前后，由于宇航和航空等技术发展的需要，对实现小范围内偏转的支承，不仅提出了高分辨率的要求，而且对其尺寸和体积提出了微型化的要求。人们在经过对各种类型的弹性支承实验探索后才逐步开发出体积小、无机械摩擦、无间隙的柔性铰链。随后柔性铰链在支撑结

2、构、联接结构、调整机构和测量仪器中的得到广泛应用,并获得了前所未有的高精度和稳定性，并日益成熟。 70年代末，美国国家标准局引入了柔性铰链机构以放大压电驱动器的位移，使其设计的工作台既具有亚纳米级的位移分辨率，又具有相对较大的行程。 近年来，柔性铰链以其特殊的性能在精密机械、精密测量、微米技术和纳米技术等领域得到广泛应用没，尤其是柔性铰链与压电致动结合实现超精密位移和定位。 柔性铰链用于绕轴作复杂的有限角位移，它的特点是：无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高。柔性铰链有很多种结构，最普通的形式是绕一个轴弹性弯曲，这种弹性变形是可逆的。1.1.2 柔性铰链运动的实现方法柔性铰链是通过弹性形变来实现铰

3、链运动。 施加的弹性变形力会导致铰链中心点偏移其几何中心，从而影响柔性铰链的转动精度。柔性铰链用于绕轴做复杂运动的有限角位移，它有很多种结构，最普通的形式是绕一个轴弹性弯曲，这种弹性变形是可逆的。 1.1.3 柔性铰链类型 柔性铰链可分为单轴柔性铰链和双轴柔性铰链。单轴柔性铰链的截面形状有圆形与矩形两种，如图1-1所示。图11 单轴柔性铰链 双轴柔性铰链是由两个互成90度的单轴柔性铰链组成的（如图1-2（a），对于大部分应用，这种设计的缺点是两轴没有交叉，具有交叉的最简单的双轴柔性铰链是把颈部作成圆杆状（如图1-2（b），这种设计简单且容易加工，但它的截面积比较小，因此纵向强度比图1-2（a）

4、弱得多。需要垂直交叉和沿纵向轴高强度的双轴柔性铰链，可采用图（1-2（c）。图12 双轴柔性铰链1.2 柔性铰链的发展1.2.1 柔性铰链在国外的研究发展 在早期美国国家标准局设计了一体化的柔性铰链机构, 以联接X 射线干涉仪和光学干涉仪。它采用3 级杠杆, 从驱动点到工作台面的位移缩小比达到10001, 由此降低了对驱动元件的要求, 但柔性铰链机构较为复杂。他们还利用柔性铰链在几角秒的运动范围内达到1 微角秒的调节精度。为了加大X 射线干涉仪的测量范围，德国设计了如图1-3对称结构的柔性铰链传动机构，该机构消除了在主运动垂直方向上的干涉运动, 测量范围达到了200m。 图1-3对称结构的柔性

5、铰链传动机构70年代美国国家标准局引入了柔性铰链机构以放大压电驱动器的位移，使其设计的工作台既具有亚纳米级的位移分辨率，又具有相对较大的行程。而此时的柔性铰链机构结构紧凑、运动精度高等特点，因此在精密机械、精密测量、微米和纳米技术等领域得到了广泛应用。 1978 年美国国家标准局开发了一个微定位工作台并用于光掩模的线宽测量。为了能在光学和电子显微镜中使用, 要求工作台结构紧凑并能在真空中工作。如图1-4所示,工作台采用了压电元件驱动, 柔性铰链机构进行位移放大的方案。压电元件在低频工作时的能量耗散为零,因此工作台没有内部热源。工作台可在50 Lm 的工作范围内,以1 nm或更高的分辨率将物体线

6、性定位。工作台还被用于其它显微物体, 如生物细胞、空气污染颗粒和石棉纤维等的尺寸精密测量。 图1-4压电驱动高精度工作台1.2.2 柔性铰链在国内外的最新研究发展 国内最新研究、设计了一种柔性压电式微定位机构。如图1-5所示，此机构采用压电陶瓷作为微位移驱动器, 柔性铰链为导向机构, 对丝杠螺母传动的精密机床工作台运位置进行自动补偿。通过实验验证, 在精密滚珠丝杠副驱动的超精密加工机床上, 增加柔性压电式微位移机构, 可使机床的定位精度由原来的1m提高0.01m，且由于柔性铰链的放大作用, 定位行程达到100m, 显著改善了机床的性能, 图1-5精密机床工作台微定位原理图能够满足精密、超精密定

7、位精度要求. 图1-5精密机床工作台微定位原理图目前提出了一种新颖的大行程柔性铰链及应用该种柔性铰链作为被动关节的大行程柔性铰链并联机器人。如图1-6所示，该系统能够在立方厘米级的工作空间内实现亚微米级的运动精度。如韩国高等科技大学的Ryu等人研制了三支链柔性铰链平面并联机器人， 驱动元件采用压电陶瓷, 而整体结构中所有被动关节均采用正圆弧型柔性铰链。由于压电陶瓷的末端输出行程有限，为得到并联结构末端点较大的工作空间，这里合理的安排了柔性铰链的位置，使得支链均构成了放大结构。 Ryu等在建立了整体结构的运动学逆解的基础上，进行运动学标定，并做了大量试验。 最终该系统在X、Y 两个方向的轴线位移

8、和Z方向的角位移可分别达41微米、47.8 微米和联机器人322.8角秒，而相应的运动分辨率可达7.6纳米、8.2纳米和0.057角秒。 图1-6大行程柔性铰链并联机器人第二章 总体方案设计2.1 总体设计思路 用柔性铰链为基础单元，设计出柔性铰链的微动工作台，使用压电陶瓷驱动器PZT（具有体积小、分辨率高、承载能力强等优点）来驱动，用电容式传感器来测量该微动工作台的位移变化量，使用A/D转换，从而使模拟量变为数字量，以便直观观察。 该微位移工作系统，由弹性精密微动工作台产生一个微位移量d，使用电容式传感器对其进行测量，产生一个交流信号。信号再通过处理电路由A/D把模拟信号转化数字信号送入51

9、单片机对其进行处理。并通过D/A转换使其成模拟信号，通过PID控制电路的运算，由于PID产生的信号十分微弱，用功率放大器对其进行一定程度的放大， 从而驱动电压陶瓷驱动器PZT工作柔性铰链的运动的范围为 100m，分辨率为0.1nm，其方案图如下：柔性铰链的微动工作台电容式传感器进行测量信号处理电路处理信号A/D转换51单片机D/A转换PID控制电路功率放大LED数值显示压电陶瓷驱动器PZT键盘输入控制 2-1方案简图2.2 功能模块简介压电陶瓷驱动器PZT：用来驱动平行四杆的微工作移动，从而使依附在铰链上的电容的间距产生变化；柔性铰链的微动工作台：平行四杆结构，当在AC杆上加一个力F时，由于四

10、个柔性铰链的形变，使AB杆在水平方向上产生一位移，而实现无摩擦、无间隙和高分辨率的微动； 电容式传感器电路：通过电容间距的变化，从而电路产生一个相应的电压量，实现位移量到电压量的转换，以便于直接观察与控制；信号处理电路：用检波电路与低通电路，滤除高次谐波和干扰信号，从而得到想要的直流的周期信号；A/D转换：把输出地直流模拟信号转换成离散的数字信号，实现模拟量到数字量的转换，并传入单片机处理；单片机：主要用来控制A/D、D/A转换，并把相应的电压量用数字显示出来，以便直接的观察了解；D/A转换：把单片机输出的数字量转化为模拟量，以便为后面的驱动电路提供一定的功率，使之能正常工作；PID控制电路：

11、改进反馈控制系统的性能，提高电路的稳定性、快速性无残差性的理想性能；功率放大：放大输入的功率，为下级负载提供足够的大的功率；总之，各功能模块的合理搭配，就实现了柔性铰链微动工作台的精密测量系统。第三章 柔性铰链微动台设计3.1 柔性铰链力学模型柔性铰链结构示意图如2-11，这里采用双圆弧柔性铰链其绕z轴的转动刚度为：式中：E：材料的弹性模量； t、h：铰链的厚度； b：铰链的高度； r:铰链的圆弧半径;图3-1柔性铰链结构示意图驱动力对柔性铰链产生一个绕z轴的力矩Mz，使铰链绕z轴偏转z角，而且：Mz在y方向产生位移y：3.2 微工作台设计3.2.1 平行四杆机构以柔性铰链为基本单元的弹性微动

12、工作台采用压电伸缩微式位移器驱动，其基本结构如图3-2所示。通过在一块板材上加工开孔和开缝，使圆弧切口处形成弹性支点（即柔性铰链）与剩余的部分成为统一体，从而组成平行四杆结构，当在AC杆上加一个力F时，由于四个柔性铰链的形变，使AB杆在水平方向上产生一位移，而实现无摩擦、无间隙和高分分辨率的微动。 图3-2 柔性铰链的微动工作台为增加弹性微动工作台的承载能力，并提高运动方向上的刚度，确保工作台具有良好的动态特性和抗干扰能力，在不增加工作台尺寸（即厚度）的前提下，应尽可能增大图3-2柔性铰链微动工作台模型柔性铰链细颈处的厚度，并减小圆弧切口的半径。在这种情况下，t往往大于或等于。设计柔性铰链时应

13、采用条件下的设计方法。 3.2.2 微动台的基本模型及设计计算公式如图3-2所示的微动工作台基本结构设计时进行下列假设：工作台运动时，仅在柔性铰链处产生弹性变形，其他部分可认为是刚体；. 柔性铰链只产生转角变形，无伸缩及其他变形。设四个柔性铰链的转角刚度K ，那么当四连杆机构在外力的作用下产生的平移，每个柔性铰链所储存的弹性能为： K2式中，=；K由查表得；外力F所做的功为： 由能量守恒定律：A=4A0，可推导出弹性微动工作台的刚度值基本设计计算公式： 3.2.3 弹性微动台的设计 在设计时，首先完成整个工作的零件图及装配草图，选择材料，计算出该工作台的质量。确定柔性铰链的基本参数和。柔性铰链

14、的基本参数，应满足下列工作要求： 柔性铰链内部应力要小于材料的许用应力。在微位移范围内，此条件一般都能满足。微位移器产生的最大位移输出时，微动台的弹性恢复力应小于微位移器的最大驱动力。微动台的刚性应尽可能大，使其具有良好的动态特性和抗干扰能力。根据微动工作台的结构原理，微动台的振动模型可以简化为一阶弹簧质量系统，故微动台的固有频率： (m弹性为动台部分的质量)本次设计中，微动工作台的尺寸范围为130mm100mm200mm，固有频率f=219Hz，刚度K= 0.35kg/m,t=2mm,R=1.5mm,m=1.8kg。第四章 硬件设计4.1 压电陶瓷微位移驱动器压电陶瓷在电场作用下产生的形变量

15、很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构压电驱动器，它具有结构紧凑、体积小、分辨率高、控制简单等优点。本次设计采用P-840 预负载开/闭环低压压电促动器（如图4-1），其特性如下：（1） 最大行程：180um；（2） 分辨率：小于1nm，最小可达0.05nm；（3） 刚度：最大可达1280N/um；（4） 工作温度范围：-40+150；（5） 最大推/拉里：可达30000N/3500N。图4-1 P-840 预负载开/闭环低压压电促动器4.2 电容式传感器4.2.1电容式传感器原理对于位移、角位移、振动、压力、加速度以及液面位置、料面位置等物理

16、量的变化换成电容量的变化，构成一个可变的电容器，即电容式传感器。电容式传感器结构简单，动态响应快，本身发热小，适合于非接触量。缺点是容易受寄生电容的影响和外界干扰。由物理学可知，两平行极板组成的电容器如果不考虑非均匀电场引起的边缘效应，其电容量为： （4-1）式中，为极板间介质的介电常数，=0r ，0为真空的介电常数，0=8.85410-12F/m，r是介质相对真空的介电常数，r空气1，其他介质材料r 1；S为极板覆盖面积；d为极板间距离。由于被测量的变化引起电容式传感器有关参数，S，d的变化，使电容量C也随之变化。据此，常见电容式传感器的类型有：变间隙（改变d），变面积式（改变S），变介电常

17、数式（改变）三种类型。本次设计中由于改变电容间距，故采用的是变间隙式电容传感器12。4.2.2变间隙式电容传感器图4-2为变间隙式电容传感器的原理图。由式（4-1）可知C与d成反比，如极距有增量-d，电容量产生相应增量+C。图4-2为变间隙式电容传感器 （4-2）由冥级数展开式： （4-3）略去非线性项后得： 设 （4-4）电容式传感器灵敏系数的物理意义是单位位移引起的电容量相对变化大小。由于略去非线性项引起的相对非线性误差为： （4-5）可见极板间距越小，有利于提高林敏度，但间距d过小易造成极板板间介质击穿，并且增加了极板的加工与安装难度。4.2.2.1差动变间隙式电容传感器为了改善非线性，

18、并增加电容变化量，采用差动式（图4-3）。图4-3差动变间隙式电容由式（4-3）有同理，又有 接成差动式，使输出为两电容量差，有略去高次项得近似线性关系为： （4-6）则由差动式的灵敏系数： （4-7）相应的非线性误差： （4-8）比较式（4-4）与式（4-7），式（4-5）与式（4-8），知差动式可使灵敏度提高一倍，非线性误差也大为减少。 故本次设计采用差动变间隙式电容传感器。4.3电容式传感器转换电路4.3.1交流电桥（调幅电路） 图4-4变压器电桥的电路所示，C1与C2 以差动形式接入相邻两个桥臂，另两个桥臂接变压器的二个次级线圈12.图4-4变压器电桥的电路当交流电桥处于平衡位置时，电

19、容传感器的起始电容量C1与C2 相等，两者容抗相等， 电容传感器工作在平衡位置附近时，有电容变化量输出时，则，根据式（4-1）有：； 由图知，次级线圈感应电动势为，则空载输出电压为： （4-9）又有： ； （4-10）可见电桥输出电压除与被测量变化有关外，还与电桥电源电压有关，要求电源电压采取稳幅和稳频措施。4.3.2 精密检波电路图4-5为线性全波检波电路原理图3图4-5 线性全波检波电路该电路取R1=R3=R4=R5=R2/2。在调幅波Us为正半周期，D1截止，D2导通，即N1运放闭环导通，则N1的输出电压UA为：N2组成相加放大器，其输出为： 在调幅波Us为负半周期时，D1导通，D2截止

20、，即UA=0，U0 =Us，所以从而得到全波整流信号，同时N2与R3、R4、C等构成低通滤波器，去除混在U0的高次谐波，得到只含直流量的周期信号。4.4 AD7703AD7703为20脚双列直插式封装.图4-6所示AD7703是美国 AD公司生产的20位模数转换器 ，它的非线性为0.0003%，并具有可选的校验方式以及温度工作范围宽 (一般为-40 - 80)、抗干扰能力强、灵活的串行接口等特点，适用于工业测控过程、便携式仪表等领域的信号采样。4.4.1 各引脚定义MODE:.串行口方式选择端，MODE为1时为内同步，MODE为0时为外同步；CLKIN：时钟输入端.当采用外部时钟时，CLKIN

21、为外时钟输入端，CLKOUT端不用；CLKOUT：时钟输出端.当采用内部时钟时，此脚为内时钟输出端； SC1和SC2：系统校准方式选择端，可组合选择AD7703的校准方式.；DGND和AGND：数字地与模拟地；AVDD AVSS：模拟正负电源.通常为5V；DVDD DVSS：数字正负电源.通常为5V；AIN：模拟信号输入端.范围为0-+2.5V（.单极性时）或2.5V（双极性时）；VREF：参考电源电压输入端.通常接+2.5V基准电压；SLEEP：睡眠工作方式设置端，此脚接地时为睡眠工作方式；BP/UP端：单双极性输入方式选择端，低电平时为单极性，高电平时为双极性；CAL：校准控制端，CAL=

22、1时启动自校准；CS：片选端.当CS=0时发送数据； DRDY：数据输出准备信号，为低时表示数据寄存器内的数据准备好，数据传送结束后，该脚变为高电平；SCL：串行时钟输入/输出端；SDATA：.串行数据输出端；图4-6 AD77034.4.2 AD7703的工作方式AD7703的串行数据接口的两种方式由MODE信号选择。当MODE=1时，工作在片内时钟同步SCC方式，数据由片内产生的串行时钟SCLK同步控制输出。当MODE=0时，AD7703工作在外部时钟同步SEC的方式，这是一种比较常用的方式 ，本次设计就采用该方式，采用SEC方式读数据时，要求51单片机的P1.3能为AD7703提供外部同

23、步时钟以便读出数据。图4-7是AD7703工作在SEC方式下的一种典型应用连接图。 图4-74.5 MC-51单片机 MC-51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。按功能可分为：微处理器（CPU）、数据储存器（RAM）、程序储存器（ROM）、并行口（P0、P1、P2、P3）、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）【5】。图4-8所示为80C51双列之插封装方式的引脚。其40个引脚按功能，可分为3类：（1）电源及时钟引脚：Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2 Vcc：接+5V；Vss：接地； XTAL1：接外部晶体的引脚，是内部反相

24、放大器的输入端，其构成了内部振荡器，外接晶体振荡器时，该引脚接地；XTAL2：接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部时钟振荡器，该引脚接收时钟振荡器信号。（2）控制引脚：、ALE、RSET（即RST）RST/VPD：RST为复位信号输入端，高电平有效；VPD为本引脚第二功能，即备用电源的输入端；：ALE为地址锁存允许信号，当单片机访问外部存储器时，ALE输出信号的负跳沿用作低8位地址的锁存信号。为本引脚第二功能，在对片内EPROM型单片机编程写入，该引脚为编程脉冲输入端；：程序存储器允许输出控制端。在单片机访问外部程序存储器时，该引脚输出的负脉冲作为读外部程序存

25、储器的选通信号；：为内外程序存储器选择端，当端为高电平时，单片机访问内部程序存储器，但在PC超过0FFFH时，将自动转向执行外部程序存储器；当为低电平时，则只访问外部程序存储器。（3）I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为8为I/O口引脚的外部引脚P0口：双向8为三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口；P1口：8位准双向I/O口；P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用；P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口。图4-8 80C51双列之插封装方式的引脚4.6 LED显示器与键盘接口LED是发光二极管的缩写。LED显示器由发光二极管构成的，所以在显示器前面冠以

26、“LED”。LED显示器有共阴极和共阳极之分。常用LED显示器有7段发光二极管，再加上一个小数点共计8段。各段与各字节对应关系如下代码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段dpgfedcba键盘在单片机应用系统中能实现单片机输入数据、传递命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。图4-9是LED显示器与键盘接口与单片机的连接图5图4-94.7 DAC1220DAC1220是一种非常适合于过程控制场合的低功耗D/A转换器。它采用-转换技术，实现了位线性转换，通过内置的满度、零点和线性修正寄存器，可以自动进行校准功能，保证了转换的准确性。 图4-10为其引脚排列图，其引脚功能如下：DVDD:数字电

27、源，通常为； XOUT:系统时钟输出；XIN:系统时钟输入；DGND数字地；AVDD:模拟电源，通常为；DNC:空；C1、C2：滤波电容；VOUT:直流电压输出；VREF:基准电压输入；AGND：模拟地；CS：片选信号输入；SDIO：串行数据输入输出；SCLK：串行数据输入输出的时钟输入。图4-10 DAC1220引脚排列图DAC1220的内部重要寄存器：指令寄存器、命令寄存器 （1）指令寄存器（INSR）每次串行通信都必须以向指令寄存器中写指令开始。它决定了要访问DAC1220中哪个寄存器，访问多少字节，是写还是读。MB1MB00A3A2A1A0:用于设定下一步对寄存器进行读操作还是写操作；

28、 MB1、MB0：用于设定下一步将要进行读写操作的字节长度； A3、A2、A1、A0：用于设定下一步将要访问的寄存器。（2）命令寄存器（CMR）命令寄存器由2个字节组成，决定了DAC1220的工作方式和状态第1个字节ADPTCALPINSH010CRSTX第0个字节RESCLRDFDISFBDMSBMD1MD0RES:设定转换位数，=0,16位；=1,20位；CLR：清数据输入寄存器，使输出电压为0；DF：设定输出电压形式，=0，双极性；=1，单极性；DISF：设定内置滤波器使能；BD:设定寄存器字节地址的递增递减方向。=0，递减；=1，递增；MSB：用于控制字节在串行传输时，是先送高位还是低

29、位；MD1、MD2：设定DAC1220工作方式ADPT：自适应滤波器使能位；SH：采用/保持器接入使能位；CRST:校准寄存器复位使能位。DAC1220与MC51单片机的接口电路如下图4-11图4-114.8 PID调节器 在控制系统中，为了改变反馈控制系统的性能，人们经常选择各种各样的校正装置，其中最简单最通用为比例-积分-微分校正装置，简称PID校正装置或PID控制器。一般在合理地优化KP（比例增益），KI（积分增益）和KD（微分增益）的参数后，可以使系统具有提高稳定性、快速响应、无残差等理想的性能9。 图4-12所示为P、PI、PD三种运算电路串联构成的PID调节电路10。假设各电路的输

30、入阻抗很大，输出阻抗足够小，则各电路串联后，总的传递函数为各传递函数的乘积。图4-12 PID调节电路PID运算电路总的传递函数为：通常要求，可忽略，得 式中 ； ； 、 、称为调节器的调节整定参数，可在一定范围内调整4.9 功率放大电路在实用电路中，往往要求放大电路的输出级输出一定的功率，以驱动负载。能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放。功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是在追求电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。本文采用LM386型号的集成功率放大电路，图4-13所示为LM386电压增益最大法3，C3使引脚1和8在交流通路中短路，使A

31、u200；C4为旁路电容；C5为去耦电容，滤掉电源的高频交流成分。 图4-13 LM386电压增益最大法静态时输出电容上电压为Vcc/2，LM386的最大不是真输出电压峰峰值约为电源电压Vcc。设负载电阻为RL，最大输出功率为：第五章 软件设计参考文献1.李庆祥，王东生，李玉和编著.现代精密仪器设计.北京：清华大学出版社，2009.3:163-1882.史习敏，黎永明编著.精密机械设计.上海：上海科学技术出版社，19873.童诗白，华成英主编.模拟电子技术基础.高等教育出版社，2009.1:453-456,480-5004.阎石主编.数字电子技术基础. 高等教育出版社，2009.12：506-

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