柔性铰链测量与控制开题报告Word下载.docx

柔性铰链测量与控制开题报告Word下载.docx

《柔性铰链测量与控制开题报告Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《柔性铰链测量与控制开题报告Word下载.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

3.3预期研究成果

4研究工作计划

参考文献

（开题报告全文附后）

成绩：

答辩

意见

（从选题、任务工作量、质量预期、可行性等几个方面）

答辩组长签名：

年月日

系

主

任

审

核

意

见

签名：

六十年代前后,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，不仅提出了高分辨力的要求，而且还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的试验探索后，才逐步开发出体积很小，可做到无机械摩擦、无间隙的柔性铰链[1],柔性铰链立即被广泛地用于陀螺仪加速度计、精密天平等仪器仪表中。

1.1.1柔性铰链定义

柔性铰链是近年来发展起来的一种新型机械传动和支撑机构，用于绕轴作复杂运动的有限角位移。

也可理解为利用其结构薄弱部分的弹性变形可实现类似普通铰链的运动传递。

柔性铰链具有无摩擦、无间隙、运动灵活、敏度高的特点，常用来作为位移放大器，可将位移放大到数百微米，极大地拓展了微位移驱动器的应用范围和应用领域。

尤其在纳米技术领域中有着更好的应用前景，柔性铰链是实现纳米级微运动的关键技术，其运动位移的测量与控制是实现纳米运动的核心技术。

1.1.2柔性铰链的类型

目前柔性铰链的类型主要有单轴柔性铰链，双轴柔性铰链两种

单轴柔性铰链截面形状有圆形和矩形的两种，如图1所示。

图1单轴柔性铰链

双轴柔性铰链是由两个互成90°

的单轴柔性铰链组成的（图2（ａ）），对于大部分应用，这种设计的缺点是图1-2单轴柔性铰链两个轴没有交叉，具有交叉轴的最简单的双轴柔性铰链是把颈部作成圆杆状（图2（ｂ）），这种设计简单且加工容易，但它的截面面积比较小，因此纵向强度比图2（ａ）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2（ｃ）的结构。

图2双轴柔性铰链

1.1.3柔性铰链国内外现状

就现阶段的发展趋势，柔性铰链的应用主要是与压电致动相结合，形成微位移机构。

最早，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[2-4]。

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压电驱动高精度工作台真空中工作。

如图3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50Lm的工作范围内,以1nm或更高的分辨率将物体线性定位。

图3压电驱动高精密工作台

柔性铰链技术在精密联接工艺也有应用,如激光焊接中,需要较大运动范围、结构紧凑、高刚度、垂直运动的微动台。

因此设计了如图4所示运动的微动台[5-6],水平内置式压电块推动杆1和杆2,通过对称的柔性铰链放大机构将压电块位移转化为台面的垂直运动。

该微动台的运动范围为200Lm,垂直刚度为610N/Lm,频响为364Hz。

图4垂直运动的微工作台

我国如今柔性铰链代表性产品如哈尔滨芯明天科技有限公司以柔性铰链原理开发的XM-850六维并联微动台，如图5所示，运动方向最大推力为1000N，最大负载为100kg，可内置位移传感器，方便实现闭环控制，闭环重复定位精度为纳米级，控制方式：

“压电陶瓷驱动电源”或“XE-50与XE-501模块化压电陶瓷控制系统”。

图5纳米级精密定位工作台

1.1.4柔性铰链研究趋势

近年来，采用压电元件驱动，柔性铰链机构传动实现精密定位有着众多的应用，如微动工作台，引激光焊接、光学自动聚焦系统等众多领域。

纳米定位技术是实现纳米加工和纳米测量的基础，柔性铰链在该领域也有着极其重要的应用。

就目前来看，柔性铰链—压电致动微动工作台的研究将占主导地位。

随着机器人领域的发展，其运动精度要求达到亚微米级，显然以前的技术无法很好满足此要求。

柔性铰链技术的发展成熟很好地解决了这个问题，大行程柔性铰链并联机器人的研究成为机器人研究的热门课题。

随着纳米技术的兴起和飞速发展，基于柔性铰链—压电陶瓷驱动的纳米级微定位技术已成为能束加工、超精密加工、微操作系统等前沿技术的基础支持技术。

利用柔性铰链的众多优点，易实现亚微米甚至纳米级的精度。

因此，研究柔性铰链对于纳米技术的进一步发展与广泛应用非常有意义。

2研究的基本内容与主要任务与目标

本次毕业设计中主要完成的内容包括：

（1）设计一维柔性铰链平行四边形结构的微动工作台，并进行解析分析。

（2）利用电容测微方法，设计该工作台运动位移测量方法及其实现电路。

（3）设计该工作台运动位移的控制方法及其硬件的实现。

（4）设计单片机处理电路与软件。

（5）绘制出相应的方案图、原理图、电路图、流程图。

2.2主要任务与目标

在设计过程中能掌握柔性铰链微动工作台的设计和分析方法，电容传感器[7]测微原理及其信号处理方法和电容信号处理电路设计。

本次设计采用柔性铰链一套一维平行四边形结构的微动工作台，利用电容传感器测量方法，构成一套完整的微运动测量与控制系统，实现运动范围10

分辨率0.1

。

3研究思路方案、可行性分析及预期成果

本设计论文以平行四杆柔性铰链为基础，用电容传感器测微方法和以压电陶瓷为驱动，通过参数化分析并求实现柔性铰链工作台运动范围达10μm、分辨率达0.1nm的要求，从理论和仿真实验两方面进行研究。

具体研究思路如图6所示

图6总体思路方案图

接下来就图中各个模块做简略介绍。

（1）弹性X-Y精密微动工作台是以柔性铰链为基本单元的弹性微动工作台。

通过在一块板材上加工孔和开缝，使圆弧切口处形成弹性支点，与剩余的部分成为一体，而组成平行四杆机构。

当在杆左侧加一力F时，由于4个柔性铰链的弹性形变，使得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。

本微动工作台所达到的技术指标：

分辨率为0.1

，行程为10

，瞬态响应时间小于100

（2）电容式传感器具有结构简单，价格便宜，灵敏度高，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等优点，因而非常适宜作为本实验的测量传感器。

它是把位移量

转换为电容量的变化。

（3）处理电路是将电容传感器产生的电容变量转换为电压变量以便后续模块处理信号。

（4）A/D转换器即模数转换器，或简称ADC，是将处理电路输出的电压信号转化为一个输出数字信号以便51单片机[8]处理信号。

A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。

此次设计将采用24位的A/D转换器。

（5）键盘输入一个期望的微动工作台位移

，通过51单片机处理与A/D转换器产生的信号做差值，然后将差值用8位数码显示管显示并输出给D/A转换器。

51单片机编程主要包括键盘输入、数码管显示、I/O、不带符号位的做差。

（6）D/A转换器即数模转换器，简称DAC，它是把51单片机输出的数字信号转化为模拟信号。

D/A转换器基本上由电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关4个部分组成。

（7）PID[9-11]控制器由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。

通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定。

（8）由于PID产生的信号十分微弱，无法让压电陶瓷驱动器区变，因而需通过功率放大器进行微弱电信号的放大。

压电陶瓷驱动是将二氧化铅、锆酸铅、钛酸铅在1200度高温下烧结而成的多晶体。

它接收运放的输出信号对微动工作台的精密调整。

柔性铰链微位移机构具有较高的位移分辨率，再配合压电陶瓷驱动器可实现微小位移，可适合各种介质环境工作。

在各种高精度工业中得到了良好的应用，如微电子技术随着集成度的提高，线条越来越微细化[12-13]，与之相对应的工艺设备：

光刻机、电子束和X射线曝光机等。

在航空航天领域中已成熟发展。

在前人研究工作基础上，本设计在基本原理上是可行的。

本次设计的工作主要涉及力学、机械原理、物理学、传感器等方面知识。

设计出一套一维平行四边形结构的柔性铰链工作台，完成对此柔性铰链微动工作台完整的测量与控制系统，。

通过实验与理论相结合保证满足设计要求：

实现运动范围10

４研究工作计划

起止时间

内容

2010.12.01-2010.12.20

调研、调研信息汇总分析综合、文献查阅

2010.12.21-2011.01.30

熟悉相关知识

2011.02.01-2011.02.10

外文翻译、文献综述

2011.02.11-2011.02.25

熟悉相关原理、开题报告

2011.02.26-2011.03.10

总体方案设计

2011.03.11-2011.04.20

制定各部分方案及详细实施

2011.04.21-2011.04.30

画出具体电路图

2011.05.01-2011.05.15

软件编程

2011.05.16-2011.05.25

毕业论文撰写

2011.05.26-2011.06.05

论文评阅、整理材料准备答辩

[1]李玉和，郭阳宽﹒现代精密仪器设计[M]．北京：

清华大学出版社，2010

[2]王　华,张宪民,欧阳高飞.平面三自由度微动工作台的输入耦合分析[J].中国机械工程,2005

[3]沈剑英,杨世锡,周庆华,等.单平行四杆柔性铰链机构的输出位移和耦合误差分析[J].机床与液压,2004（3）:

27-28.

[4]LARRYLH.柔顺机构学[M].余跃庆,译.北京:

高等教育出版社,2007.

[5]皮萨连科.材料力学手册[M].范钦珊,朱祖成,译.北京:

中国建筑工业出版社,1981.

[6]于靖军,毕树生,宗光华.柔性平行四杆机构的静刚度分析[J].机械科学与技术,2003,22

（2）:

241-244.

[7]王华祥.传感器原理[M].北京:

机械工业出版社，1993.5

[8]朱定华，戴汝平.单片微机原理与应用[M].北京：

清华大学出版社，2003.8

[9]丛爽．神经网络、模糊控制系统及其在运动控制中的应用[M],安徽：

中国科学技术大学出版社.2001．

[10]董景新，赵长德，熊沈蜀，郭美凤.控制工程基础[M]，2003.2:

216-266

[11]刘豹，唐万生.现代控制理论[M]，1989.4：

89-107

[12]EastmanFS.TheDesignofFlexurePivots.Jour2nalofAerosolcience[J],1937,5

（1）:

16-31

[13]SmithST,BadamiG,DaleJSetal.EllipticallexureHinges.ReviewofScientificInstruments[J],1997,68（3）:

1474-1483