自解耦二维微位移平台设计与分析

张玉嘉，张剑

（同济大学机械与能源工程学院，上海 201804）

0 引言

精密定位平台广泛应用于生物医学、精密光学工程、航空航天等领域[1-2]。现有精密定位平台中，大多采用压电陶瓷作为驱动器，柔性铰链作为传动机构以实现高精度运动。压电陶瓷具有高刚度、高分辨率、体积小、响应速度快等优点[3]，但输出行程较小，通过引入位移放大机构，如桥式放大机构[4]等，可一定程度上解决输出行程较小的问题。柔性铰链作为传动机构，具有无间隙、无磨损、无需润滑等特点[5]，可大幅提高平台精度。

本文基于压电陶瓷、桥式放大机构、柔性铰链设计了一款二维微位移平台，平台在实现较大的运动行程的同时，拥有较高的运动精度和一阶固有频率及优秀的解耦性能。本文建立了柔性铰链的理论模型，计算了平台输出刚度与一阶固有频率，并通过试验对平台性能进行了进一步分析与验证。

1 结构设计

1.1 位移导向机构

微位移平台的导向机构采用如图1所示的双四杆平行四边形结构，在运动平台受到X方向的驱动力时，连接运动平台的4根直梁型柔性铰链会同时产生沿X轴的弯曲变形，使得末端平台沿X轴平移，并且由于对称形布置，会抵消柔性铰链在弯曲变形的过程中在Y方向产生的寄生位移，实现位移导向。由于柔性铰链在非运动方向上具有足够的刚度，所以导向机构在实现X方向的位移导向的同时，在Y方向上可以进行力与位移的传递，这也是微位移平台实现运动解耦的关键。……