摘要 集中应力和祸合位移是影响基于柔性铰链和压电陶瓷驱动器的微操作器性能的关键因素。单平行四杆机构具有低的集中应力，但存在大的藕合位移，双平行四杆机构没有祸合位移但存在较大的集中应力。在分析上述2种经典微操作器机构优缺点的基础上，吸取每一种机构的优点，摈弃各自的缺点，构建了一种复合四杆机构，并对这3种机构进行了对比分析，用有限元仿真的结果证明了理论分析的正确性。本文还设计加工了3种类型的二维微操作器柔性铰链机构与压电陶瓷驱动组成二微维操作器，并进行了对比实验研究，实验结果表明，该复合四杆微操作器性能优于经典的平行四杆微操作器和双平行四杆微操作器。
1引言
基于柔性铰链的微操作器以其具有无滑动摩擦、无迟滞、不需润滑以及运动平滑和运动分辨率高等优点广泛应用于精密定位、精密机床、扫描隧道显微镜、电路版印刷、光电显微镜、激光焊接以及半导体加工设备中〔1一3〕。
近年来，国内外许多学者在设计高精度微操作器方面做了大量研究工作，MusaJouaneh设计了一种柔性铰链杠杆微操作器用来放大压电陶瓷驱动器的输入位移【4】;YinChunyong等开发了一种超高精密的纳米分辨率定位装置并用于双频激光干涉仪中[5];WuYingfei等设计了一种利用一个压电陶瓷驱动器来实现3方向运动的微定位机构[6];YangRenyi等也利用柔性铰链设计了一种微定位机构用于激光焊接中[7]。上述大部分机构的运动原理与单秘双平行四杆机构有关，2种机构形式如图1、图2所示。在这2种结构中，单平行四杆机构存在固有的祸 合误差;双平行四边结构由于增加了柔性铰链的个数，在相同的作用力下，目标位移受到限制;在相同的目标位移下，这2种结构都存在较大集中应力。集中应力和祸合位移是影响基于柔性铰链和压电陶瓷驱动器的微操作器性能的关键因素。过大的集中应力会降低微操作器的使用寿命，甚至造成柔性铰链的塑性变形;祸合位移的存在会降低微操作器的定位精度[8].
本文分析了单和双平行四杆机构2种经典微操作器机构优缺点，并且在吸取每一种结构的优点，摈弃各自缺点的基础上，构建了一种基于复合四杆机构的微操作器，对该3种结构形式进行了有限元仿真，其结果的对比证明了理论分析的正确性。利用上述微操作器结构原理，设计加工了1种新的二维微操作器结构，与压电陶瓷驱动器组成二维微操作器并进行了对比实验研究，结果表明，该复合四杆微操作器性能优于经典的单平行四杆微操作器和双平行四杆微操作器。
2复合四杆机构设计[9一l0]
柔性铰链的各项参数如下:R为铰链加工孔的半径，E为材料的弹性模量，d为铰链薄壁的最小厚度，B为铰链厚度，A为柔性铰链截面积，F为加在运动杆上的力负载， θ为柔性铰链旋转角，l为旋转刚性杆长度，x为微操作器目标位移，k，为柔性铰链旋转刚度，x，为微操作器祸合位移。
2.1单平行四杆机构分析
单平行四杆机构如图l所示，假设其目标位移为xl，分析该机构的运动情况得知每一个柔性铰链的旋转角为:
该机构祸合位移为:
由能量守恒原理，外力做功等于柔性铰链的形变弹性能:
2.2双平行四杆机构分析
双平行四杆机构如图2所示，假设其目标位移为x:，分析该机构的运动情况得知每一个柔性铰链的旋转角为:
由于该机构沿平动杆中心对称，藕合位移依靠铰链的拉伸而消除。由能量守恒原理，外力做功等于柔性铰链的变形弹性能:
2.3复合四杆机构设计
通过对单平行四杆机构和双平行四杆机构的分析，从式(3)可以看出，单平行四杆机构最大的缺点是存在藕合位移，这一点严重影响了微操作器的定位精度。比较式(5)和式(10)，在同样的力负载作用下，单平行四杆机构的目标位移是双平行四杆机构的2倍;比较式(7)和式(12)，单平行四杆机构的集中应力是双平行四杆机构的2倍。这里，本文引人复合四杆机构，如图3所示。
假设目标位移为x:，分析该机构的运动情况得知每一个柔性铰链的旋转角为:
由于引人了8根刚性杆，每个铰链的旋转角度只有同种情况下单平行四杆机构和双平行四杆机构的一半;该结构沿平动刚体中心对称，藕合位移依靠铰链的拉伸而消除。
由能量守恒原理，外力做功等于柔性铰链的变形弹性能:
比较式(5)、式(10)和式(15)，在同样的力负载F作用下，复合四杆机构具有最大的目标位移;比较式(7)、式(12)和式(17)在同样的力负载作用下，复合四杆机构具有最小的集中应力;比较式(6)、式(11)和式(16)，在目标位移一样的情况下，复合四杆机构的集中应力最小。
3有限元分析
利用ansys软件分析3种结构在静态作用力下的位移和应力集中情况，3种结构的有限元模型分别如图4 }-图6所示，为了便于比较，所有的柔性铰链均具有相同的结构参数:E=110 X 109 N·m2,u=0. 33,1=20 mm,R=2 mm,t=1 mm.
在运动杆施加F=0~50 N的载荷，单步载荷为2N，通过有限元结构分析，载荷与位移、载荷与集中应力以及位移与集中应力的关系如图7一图9所示。
由上分析:
(1)从图7可以看出，在相同的力的作用下，单平行四杆机构和复合四杆机构几乎具有相同的位移，并且大小是双平行四杆机构的2倍;
(2)图8显示在相同的力载荷作用下，复合四杆机构和双平行四杆机构具有相同的集中应力，大小仅为单平行四杆机构的1/2;
(3)从图9可以看出，在相同的目标位移的情况下，复合四杆机构的应力集中情况仅为平行四杆机构和双平行四杆机构的1/2.
综合以上分析可以看出:
(1)单平行四杆机构的优点是在同一力载荷情况下具有较大的目标位移，缺点是同一力载荷情况下以及相同目标位移情况下集中应力较大;
(2)双平行四杆机构的优点是在相同的力载荷作用下集中应力较小，缺点是在相同的力载荷作用下目标位移较小以及在同样的目标位移情况下集中应力较大。
(3)复合四杆机构吸取了每一种机构的优点，摈弃了各自的缺点，在相同的力载荷作用下，具有最大的目标位移和最小的集中应力，在相同的目标位移情况下，具有最小的集中应力。有限元分析结果证明了理论分析的正确性。
4微操作器的设计和实验
在上述理论分析和有限元仿真的基础上，利用复合四杆机构原理设计加工了图to所示的新型二微维操作器，微操作器的驱动部分采用型号为WTYD0808055的中国电子技术集团第26研究所生产的压电陶瓷驱动器，它的最大可承受负载是500 N，最大位移超过40 μ.m;电源放大器也采用中国电子技术集团第26研究所生产的DWY-3型;数据采集卡采用研华的PCL1800，其电压输入输出范围为一5~十5V;以上设备与纳米级高精度位移传感器共同组成该微操作器的实验平台。为了便于对比实验，本文分别利用平行四杆机构和双平行四杆机构 原理设计加工了2个微操作器，如图11、图12所示。力传感器装在压电陶瓷驱动器和柔性铰链微动台之间测量驱动力。给压电陶瓷驱动器施加电压，测得驱动力、目标位移和藕合位移，实验结果如图13所示。
实验结果表明，与有限元分析结果相比，目标位移试验值稍小，这与有限元仿真中的参数选择以及材料的均匀性和加工误差有关;复合四杆微操作器的目标位移大于双四杆平行微操作器目标位移的2倍，这主要是因为复合四杆微操作器柔性铰链只有旋转形变，而双平行四杆微操作器柔性铰链除了旋转变形外，还发生柔性铰链的拉伸变形，拉伸变形消耗了一部分外力做功，从而使目标位移变小。
5结论
应力集中和藕合位移是影响基于柔性铰链和压电陶瓷驱动器的微操作器性能的关键因素。过大的集中应力会降低微操作器的使用寿命，甚至造成柔性铰链的塑性变形;祸合位移的存在会降低微操作器的定位精度。本文在分析平行四杆机构和双平行四杆机构两种经典微操作器机构优缺点的基础上，利用复合四杆机构原理设计加工了一种新的二维微位移操作器这种微操作器吸取了单和双平行四杆机构的优点，摈弃了各自的缺点。本文对每一种机构形式进行了有限元分析，有限元仿真的结果证明了理论分析的正确性。为了便于比较，加工了和双平行四杆机构2种二维微操作器机构，并进行了对比实验研究，实验结果表明，该复合四杆微操作器性能优于经典的单和双平行四杆微操作器。
参考文献
作者简介
纪华伟，男，1976年5月出生，博士研究生，主要研究方向为精密测量、MEMS。E-rnail:jhw76@163.com
