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2014 年第 1 期
0 引言
现代工业应用领域中,对精密甚至是超精密
移动工作台提出了越来越高的要求
[1]
。柔性铰链
作为一种微型机构,利用了弹性材料的可逆微变
形特点,具有体积小、结构简单、无装配间隙和
机械摩擦、可实现高精度运动等优点,被广泛地
应用于陀螺仪、加速度计、精密天平等仪器仪表
中,并获得了一定的精度和稳定性
[2]
。但由于柔
性铰链结构薄弱且有一定的弹性恢复力,导致其
回 稳 时 间 较 长,对 于 其 动 力学分 析 鲜 有 相 关研
究。因此在超精密位移工作台的研究仅停留在实
验室阶段,而在实际超精密位移工作台工程应用
中鲜有成果。对于超精密位移系统而言,了解弹
性元件的力学性能和材料属性对于延长其使用寿
命,达到预期的使用效果具有极为重要的意义
[3]
。
由于压电制动器行程限制,在具体应用时需
使用放大机构将制动器输出位移进行一定程度的
放大以达到所需要求,放大机构多由杠杆机构进
行 单 级 或 多 级 放 大
[4]
。 另 外 ,由 于 有 弹 性 恢 复
力,其工作设备需要经过一段时间的衰减振荡才
能达到稳定状态,一些精密工作台甚至需要数十
秒的稳定时间
[5]
,这极大地限制了其工程应用的
范围。诸多高校和科研机构对此做过研究,但大
都致力于提高其工作精度和大行程,本文选择其
中一种典型的由压电陶瓷和柔性铰链构成的精密
位移系统,从冲量激励振动的角度来分析其波动
和振荡衰减形式,分析影响因素,为减少振荡回
稳时间,并最终实现超精密位移工作台的工程实
际应用提供理论依据和方法。
1 结构介绍
图 1 为位移传动结构模型,使用压电陶瓷为
位移输出源,利用压电陶瓷的逆压电效应,在电
场的作用下使其产生形变。模型采用了单级杠杆
机构对压电陶瓷的输出位移进行放大,是精密位
移 中 一 种 较 为典型 的 结 构 ,其 位移放大 系 数 为
2。垂直导向方面,采用 4 个对称叠层平板柔性铰
链保证其垂直方向上的导向精度
[6]
。
第 42 卷 第 1 期
2014 年 2 月
江 汉 大 学 学 报(自 然 科 学 版)
J. Jianghan Univ.(Nat. Sci. Ed.)
Vol.42 No.1
Feb. 2014
基于冲量激励的柔性铰链振动分析
孙维方
1
,熊丽娟
2
(1. 华中农业大学 工学院,湖北 武汉 430070; 2. 武汉开来建筑设计有限公司,湖北 武汉 430071)
摘 要:柔性铰链机构被认为是实现精密位移传动的重要途径。对一种由柔性铰链和单级杠杆放大
机构构成的位移系统建立了动力学模型,并使用有限元方法对模型进行了初步验证,通过冲量振动激励分
析了其衰减振荡的特点及影响其稳定性的因素。结果显示,增大阻尼比和提高固有频率是减少柔性铰链回
稳时间的有效方法,该结果为最终实现工程实际应用提供了理论依据。
关键词:柔性铰链;冲量激励;振动分析
中图分类号:TH113.1 文献标志码:A 文章编号:1673-0143(2014)01-0045-04
收稿日期:2013-12-02
作者简介:孙维方(1988—),男,硕士生,研究方向:机械优化设计及理论。
图 1 位移传动结构模型简图
Fig. 1 Displacement transmission structure model
压电陶瓷
B
C
A
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