差动式三平动柔顺定位平台优化设计及分析

doi:10.3969/j.issn.1672-6952.2022.06.011

辽宁石油化工大学学报 ›› 2022, Vol. 42 ›› Issue (6): 66-72.DOI: 10.3969/j.issn.1672-6952.2022.06.011

差动式三平动柔顺定位平台优化设计及分析

杜厚成¹(), 王月², 邓子龙¹()

^1.辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 113001
^2.抚顺荣盛机械制造有限公司，辽宁抚顺 113121

收稿日期:2021-10-18 修回日期:2021-12-06 出版日期:2022-12-25 发布日期:2023-01-07
通讯作者: 邓子龙
作者简介:杜厚成（1996⁃），男，硕士研究生，从事柔顺机构、微定位平台方面的研究；E⁃mail：1274237838@qq.com。
基金资助:
辽宁省教育厅科学研究经费面上项目(LJKZ0383)

Optimal Design and Analysis of Differential Displacement Three⁃Degree⁃of⁃Freedom Flexible Micro⁃Positioning Platform

Houcheng Du¹(), Yue Wang², Zilong Deng¹()

^1.School of Mechanical Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China
^2.Rongsheng Machinery Manufacture Co. Ltd. ，Fushun Liaoning 113121，China

Received:2021-10-18 Revised:2021-12-06 Published:2022-12-25 Online:2023-01-07
Contact: Zilong Deng

摘要/Abstract

摘要：

基于差动式杠杆原理设计了一种多级柔顺放大铰链，并通过正交方式装配一种具有三个平动自由度的微定位平台，形成的对称闭环结构具有抗冲击、无累计误差和较好的各向同性的特点。材料采用7075铝合金，堆栈式压电陶瓷作为驱动装置提供输入位移。结合路径搜索法和静力学矩阵法，得出了机构的静力平衡方程和几何变形方程；对结构参数进行了敏感性分析，以位移放大比为目标，对机构中敏感度较高的参数进行了优化；对装配体进行了有限元分析。结果表明，行程可以达到391.42 μm，放大倍数为13.05，平台具有较大的位移放大比和良好的定位精度。

关键词: 柔顺铰链, 微定位平台, 差动原理, 静力学分析

Abstract:

Based on the differential lever principle, a multi?stage compliant magnifying hinge was designed, and a micro?positioning platform with three translational degrees of freedom was assembled in an orthogonal way, and the symmetrical closed?loop structure formed has the characteristics of shock resistance, no cumulative error and better isotropy. The material is 7075 aluminum, and the stacked piezoelectric ceramics were used as the driving device to provide input displacement. Combined with the path search method and the static matrix method, the static balance equation and geometric deformation equation of the mechanism were obtained; the sensitivity analysis of the structural parameters was carried out, and the parameters with higher sensitivity in the mechanism are optimized with the displacement amplification ratio as the goal; a finite element analysis was performed on the assembly. The results shows that the stroke can reach 391.42 μm and the magnification is 13.05, and the platform has a high displacement magnification ratio and good positioning accuracy.

Key words: Compliant hinge, Micro?positioning platform, Differential principle, Statics analysis

中图分类号:

TQ05

杜厚成, 王月, 邓子龙. 差动式三平动柔顺定位平台优化设计及分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(6): 66-72.

Houcheng Du, Yue Wang, Zilong Deng. Optimal Design and Analysis of Differential Displacement Three⁃Degree⁃of⁃Freedom Flexible Micro⁃Positioning Platform[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2022, 42(6): 66-72.

图/表 14

图 1 差动式位移放大机构

图2 定位平台装配图

图3 添加解耦机构的放大机构

图 4 直圆型柔顺铰链结构

表1 7075铝合金的部分性能参数

性能参数	数值
密度×10^－3/（kg·m^－3）	2.81
弹性模量×10^－10/Pa	7.2
泊松比	0.330

图5 柔顺放大机构1/2模型路径图

图6 随机样本的最大输出位移?最大应力关系曲线

图7 对输出位移敏感度绝对值大于0.2的10个参数

表 2 对输出位移敏感度的绝对值大于0.2参数的敏感度

参数	敏感度	参数	敏感度
D₉	0.916 09	R₃	0.246 68
D₂	0.847 01	D₃	－0.336 83
R₄	0.460 86	t₁	－0.642 89
R₁	0.383 17	t₅	－0.880 07
D₈	0.267 01	t₄	－0.951 95

表3 10个参数的优化结果

参数	初始值	优化区间	优化结果
D₉	55.0	[53.0,57.0]	57.0
D₂	10.0	[8.0,11.0]	10.7
R₄	3.0	[2.5,3.5]	3.5
R₁	3.0	[2.5,3.5]	3.5
D₈	21.5	[20.0,23.0]	22.4
R₃	3.0	[2.5,3.5]	3.5
D₃	18.5	[16.5,20.0]	17.0
t₁	0.5	[0.4,0.6]	0.4
t₅	0.5	[0.4,0.6]	0.4
t₄	0.5	[0.4,0.6]	0.4

图8 优化前柔顺放大机构静力学分析（a） 1/2模型最大位移（b）输出端y方向位移（c）最大应力

图9 优化后柔顺放大机构静力学分析（a） 1/2模型最大位移（b）输出端y方向位移（c）最大应力

图10 放大机构中添加的解耦机构

图11 输入y方向位移时y方向的输出位移

参考文献 14

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差动式三平动柔顺定位平台优化设计及分析

Optimal Design and Analysis of Differential Displacement Three⁃Degree⁃of⁃Freedom Flexible Micro⁃Positioning Platform

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