CN107038301A - 一种用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置及设计方法，其中，用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置包括，压电陶瓷微驱动进给器，其包括驱动脚和连接盘，所述驱动脚呈中心对称分布于所述连接盘的四周；和，柔性铰链，包括柔性触脚和固定触脚，柔性触脚对称分布且设置有单边触脚和双边触脚，所述双边触脚与所述固定触脚相接。本发明的设计方法采用变密度法，将材料参数与材料密度之间建立起相应的数学关系式，并对优化设计部分进行有限单元划分，通过一系列物理函数，将受理处点位移量化，在优化时，以该量化的点位移数值作为约束条件，给定约束上限，计算出各单元的相对密度。

Description

一种用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置及设计方法

技术领域

本发明涉及微观运动定位、高精密操作，特别适用于宏微双驱动运动平台，以压电陶瓷作为微观运动驱动器的柔性位置调节装置及优化设计方法。

背景技术

随着航空航天技术、先进医学设-备的快速发展，各行业对于零件的精度要求越来越高；精密、超精密加工技术的快速发展，使其对所需的加工设备提出了更高的要求；经济性、绿色生产等新的加工制造理念的提出，使得微切削加工孕育而生。因此，精密性运动定位的工作台成为近年来研究热点。目前的微进给系统主要有如下五种形式：机械传动方式、直线电机微进给、磁致伸缩式、气动马达、压电陶瓷微进给方式。机械传动式微进给存在间隙、摩擦和爬行现象，灵敏度和精度都不高；直线电机微进给目前很难达到亚微米级以下的高精度；磁致伸缩式微进给非线性度大，易发热；气动马达微进给方式噪声大，容易产生振动，使用条件严苛；而压电陶瓷微进给具有导向精度高、无摩擦、稳定性好等优势。因此，压电陶瓷微驱动进给器是实现高精度微观运动定位的适宜方式，但目前未见压电陶瓷微驱动进给器的优化设计方法。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明其中一个目的是现有微驱动运动平台设计方法的不足，提供一种用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置，其包括，压电陶瓷微驱动进给器，其包括驱动脚和连接盘，所述驱动脚呈中心对称分布于所述连接盘的四周；和，柔性铰链，包括柔性触脚和固定触脚，柔性触脚对称分布且设置有单边触脚和双边触脚，所述双边触脚与所述固定触脚相接。

作为本发明所述的用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置的一种优选方案，其中：所述的驱动脚为矩形块状，且其长度方向为驱动方向，其宽度方向与所述连接盘相连；所述的连接盘为中心对称的八边形块状，区分为长边和短边，所述长边和短边间隔设置且对边长度相等，长边与两个柔性触脚的所述单边触脚相连，短边与所述驱动脚相接。

作为本发明所述的用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置的一种优选方案，其中：所述柔性铰链的柔性触脚包括单边触脚和双边触脚，单边触脚为长条状，一端与压电陶瓷微驱动进给器的连接盘相接触，另一端通过90度的圆弧与双边触脚相连。

作为本发明所述的用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置的一种优选方案，其中：所述双边触脚的一条触脚垂直于所述单边触脚，且一头与单边触脚相接，另一条触脚在相接处通过90度的圆弧过渡后平行于第一条触脚，两条触脚形成体内空隙，按照传力路径网络结构，空隙中的“V”形结构将此空隙分割为三个小空隙，靠近单边触脚处的空隙由一个圆弧和两条直边构成，中间处空隙为一个近似的等腰三角形，最后一处空隙为一个近似的直角梯形，直角边与固定触脚相连。

作为本发明所述的用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置的一种优选方案，其中：所述柔性铰链的固定触脚，为“L”形块状，两固定边相互垂直，且沿45度的中斜线对称，两垂直的固定边外侧分别于两个双边触脚相连，固定触脚的两脚底则用于和装置外部的固定机构固定。

本发明另一个目的是提供一种用于微观切削运动平台的柔性位置调节装置及优化设计方法。该方法采用变密度法，将材料参数与材料密度之间建立起数学关系式，并对优化设计部分进行有限单元划分，每个独立单元，其密度都是相同的。在优化分析时，材料密度被定义为优化设计变量，从而使得优化的问题向材料分布最优的问题上转变。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种用于微驱动运动平台柔性位置调节装置的优化设计方法，其包括，根据微驱动运动平台设计目标，确定柔性位置调节装置外形尺寸，建立三维模型；设计部分进行网格划分，并赋予材料参数；给设计部分添加力学约束；给设计部分设置边界约束条件及目标函数，求解，得出优化结果。

作为本发明所述的微驱动运动平台柔性位置调节装置的优化设计方法的一种优选方案，其中：所述微驱动平台设计目标，为用于微小型零件的微切削加工的柔性位置调节装置，其中，压电陶瓷微驱动进给器原始形状为方形块状，其边长为60mm～100mm，厚度为6mm～10mm，四周以四个方形开口柔性铰链固定，其厚度与压电陶瓷微驱动进给器相同，柔性铰链内脚架宽度为10mm～15mm，外脚架凸起距离为2mm～5mm。

作为本发明所述的微驱动运动平台柔性位置调节装置的优化设计方法的一种优选方案，其中：所述柔性位置调节装置的原始模型中，其网格采用二维网格对其上表面进行划分，其单元网格类型四边形的壳单元，厚度值为8mm。

作为本发明所述的微驱动运动平台柔性位置调节装置的优化设计方法的一种优选方案，其中：所述柔性位置调节装置的原始模型，其中，力学约束为分别在四个柔性铰链的外脚架两表面上施加6自由度的完全约束，在压电陶瓷微驱动进给器的右、上两边中心处分别施加20N至40N的向心集中载荷。

作为本发明所述的微驱动运动平台柔性位置调节装置的优化设计方法的一种优选方案，其中：所述柔性位置调节装置的原始模型中，定义其设计变量的矩阵形式为：

find x＝(x₁,x₂,x₃，…x_N)^T

施加集中载荷初设置其最小位移量为6～8μm，即在刚度方程F＝KD中，优化体所受外力矢量为F，优化体结构位移向量为D，且满足D_min＝6～8μm，优化体的刚度矩阵为K，具体表达式为：

其中材料弹性张量为E，实体部分弹性张量为E₀，空洞部分弹性张量为E_min，为了求解过程的稳定，E_min≈0.001E₀；将优化目标设置为体积最小，即：

Minimum M(x)＝F^TD

将V_a、V_b为定义为优化后和优化前的体积，约束参数设为P，优化体体积满足关系式：

V_a≤PV_b

通过迭代计算，使对传力作用较大的部分结构单元相对密度接近1，使对传力作用较小的部分结构单元相对密度接近0，即设计变量x_i满足：

x_i＝{0,1}(i＝1,2，…N)

其中对单元密度接近0的部分进行去除，单元密度接近1的部分进行保留，最终得到优化结果。

本发明的有益效果：本发明的设计方法采用变密度法，将材料参数与材料密度之间建立起相应的数学关系式，并对优化设计部分进行有限单元划分，通过一系列物理函数，将受理处点位移量化，在优化时，以该量化的点位移数值作为约束条件，给定约束上限，计算出各单元的相对密度。同时对材料保留量百分比进行设定，以压电陶瓷整体刚度为目标函数，优化后得到结果。优化结果显示，受力点最大位移量满足设定要求，因此优化结果可判定为合理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例所述用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置中所述的压电陶瓷微驱动进给器的立体结构示意图；

图2为本发明一个实施例所述用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置中所述的柔性铰链的俯视结构示意图；

图3为本发明一个实施例所述用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置中所述的柔性铰链的立体结构示意图；

图4为本发明一个实施例所述用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置的俯视结构示意图；

图5为本发明一个实施例所述用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置的立体结构示意图；

图6为本发明所述微驱动运动平台柔性位置调节装置的优化设计方法中所涉及的压电陶瓷微驱动进给器及柔性铰链的优化示意图，其中，1-压电陶瓷微驱动进给器及柔性铰链的形状结构，即待优化部分；2-约束施加位置；3-约束施加位置；4-约束施加位置；5-约束施加位置；6-约束施加位置；7-约束施加位置；8-约束施加位置；9-约束施加位置；10-集中载荷力；11-集中载荷力；

图7为本发明所述微驱动运动平台柔性位置调节装置的优化设计方法中所涉及的压电陶瓷微驱动进给器及柔性铰链的结构优化过程体积变化示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

再其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明提供的优化设计设计方法，包含如下具体步骤：

1、设置用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置的优化的设计部分，设置优化体网格，定义优化部分材料和属性，在各铰链固定处施加固定约束，约束类型为完全约束，并在右端中心施加向左的20N集中力载荷，在上端中心施加向下的20N集中力载荷。

2、将待优化的柔性位置调节装置设计部分区域离散为有限个单元，每个单元有对应的相对密度。设置位移约束条件，将受力点位移约束在实际工况的最小位移以上，即6μm。

3、设置优化目标函数，在优化问题里取体积最小化为优化目标。

4、通过有限元分析计算出微驱动运动平台受力点位移响应，并计算出每个单元的相对密度，再通过每个单元的固有密度，计算出优化的设计变量。

5、根据计算出的设计变量的值，选择保留或剔除材料。

6、根据迭代优化算法，通过迭代优化计算得到最终结果。

具体的，参照图6，一种用于微观切削运动平台的微驱动运动平台柔性位置调节装置的优化设计方法具体步骤如下所示：

步骤一、建立压电陶瓷微驱动进给器100及柔性铰链200结构模型，压电陶瓷尺寸为75mm×75mm。

步骤二、划分单元网格，本方法将压电陶瓷微驱动进给器100模型划分30×30的正方形网格；将柔性铰链200划分为多个四边形网格。

步骤三、定义压电陶瓷微驱动进给器100及柔性铰链200的优化设计部分，此处将压电陶瓷微驱动进给器模型整体设置为第一优化部分，将柔性铰链200设置为第二优化部分。

步骤四、创建模型材料，第一优化部分为压电陶瓷微驱动进给器100(驱动源为P51型压电陶瓷)，编辑材料弹性模量为60×10⁹N/m²，泊松比为0.36，密度值为7.6×10³Kg/m³；第二优化部分为柔性铰链200(65Mn)，编辑材料弹性模量为211×10⁹N/m²，泊松比为0.288，密度值为7.82×10³Kg/m³并将设置完成的材料参数赋予模型。

步骤五、在微驱动运动平台模型各铰链固定处施加固定约束，在微观驱动器模型右、上两边中心分别施加大小为20N，方向分别指向模型中心的集中力载荷。

步骤六、创建工况，将微驱动运动平台的约束和右、上两边上的集中力载荷与固定约束组合，分别赋给第一工况和第二工况。

步骤七、定义一个体积响应和两个位移响应。

步骤八、定义优化目标函数，本优化方法中，优化目标设置为材料的最小化。

步骤九、设置优化设计的约束条件。在第一工况中，压电陶瓷微驱动进给器100模型右边中点受力处的最小位移量为6μm；在第二工况中，上边中点受力处的最小位移量为6μm。

步骤十、将体积最小设置为优化目标函数。

步骤十一、求解计算。

利用相关有限元分析软件计算。根据柔性位置调节装置的受力点位移响应计算出每个单元的相对密度，再通过每个单元的固有密度，计算出优化的设计变量。其中，定义其设计变量的矩阵形式为：

find x＝(x₁,x₂,x₃，…x_N)^T

施加集中载荷初设置其最小位移量为6～8μm，即在刚度方程F＝KD中，优化体所受外力矢量为F，优化体结构位移向量为D，且满足D_min＝6～8μm，优化体的刚度矩阵为K，具体表达式为：

其中材料弹性张量为E，实体部分弹性张量为E₀，空洞部分弹性张量为E_min，为了求解过程的稳定，E_min≈0.001E₀；将优化目标设置为体积最小，即：

Minimum M(x)＝F^TD

将V_a、V_b为定义为优化后和优化前的体积，约束参数设为P，优化体体积满足关系式：

V_a≤PV_b

通过迭代计算，使对传力作用较大的部分结构单元相对密度接近1，使对传力作用较小的部分结构单元相对密度接近0，即设计变量x_i满足：

x_i＝{0,1}(i＝1,2，…N)

其中对单元密度接近0的部分进行去除，单元密度接近1的部分进行保留，最终得到优化结果。

进行优化迭代，用有限元直接迭代算法计算出各单元密度情况，根据密度大小判断单元体是否保留，其优化过程体积变化如图7所示。

本设计案例说明了本发明提出的一种用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置中压电陶瓷微驱动进给器100及柔性铰链200的优化方法的可行性及有效性。

参见图1～5，本发明还提供了一种用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置，包括压电陶瓷微驱动进给器100和四个柔性铰链200；所述的压电陶瓷微进给器包括四个驱动脚101和一个连接盘102，四个驱动脚101呈中心对称分布于连接盘102的四周；所述的柔性铰链200包括两个柔性触脚201和一个固定触脚202，两个柔性触脚201对称分布，双边触脚201b与固定触脚202相接；驱动脚101为矩形块状，长宽比约为3:1，长度方向为驱动方向，宽边为7mm～10mm，与连接盘102相连；连接盘102为中心对称的八边形块状，对边长度相等，相邻两边长度比约为2:1，短边长度为7mm～10mm，长边与两个柔性触脚201的单边触脚201a相连，短边与驱动脚101相接。具体地，驱动脚101为矩形块状，且其长度方向为驱动方向，其宽度方向与连接盘102相连；连接盘102为中心对称的八边形块状，区分为长边l和短边w，长边l和短边w间隔设置且对边长度相等，长边l与两个单边触脚201a相连，短边w与驱动脚101相接。

柔性铰链200的柔性触脚201包括单边触脚201a和双边触脚201b，单边触脚201a为长条状，一端与压电陶瓷微驱动进给器的连接盘102相接触，以固定其位置，另一端通过90度的圆弧与双边触脚201b相连；双边触脚201b结构符合柔性触脚201的传力路径，一条触脚垂直于单边触脚201a，且一头与单边触脚201a相接，另一条触脚在相接处通过90度的圆弧过渡后平行于第一条触脚，两条触脚形成体内空隙，按照传力路径网络结构，空隙中的“V”形结构将此空隙分割为三个小空隙，靠近单边触脚201a处的空隙由一个圆弧和两条直边构成，中间处空隙为一个近似的等腰三角形，最后一处空隙为一个近似的直角梯形，直角边与固定触脚202相连。

柔性铰链200的固定触脚202，为“L”形块状，两固定边相互垂直，且沿45度的中斜线对称，两垂直的固定边外侧分别于两个双边触脚201b相连，固定触脚202的两脚底则用于和装置外部的固定机构固定。压电陶瓷微驱动进给器100可通过整体切割的方式直接加工出包括四个驱动脚101和一个连接盘102的整体特征，连接盘102的四条短边w和分别和柔性铰链200的两条单边触脚201a通过弹性接触的方式连接；柔性铰链200亦可通过整体切割的方式直接加工出包括两个柔性触脚201和一个固定触脚202的整体特征，通过螺纹或者胶固的方式固定于装置外部的固定机构。整个微驱动平台以四个柔性铰链200的固定触脚202的脚底为支点，通过柔性触脚201的变形实现压电陶瓷微驱动进给器100的微量位移，柔性触脚201的单边触脚201a和双边触脚201b主要发生弯曲变形，其形变量分别对应了压电陶瓷微驱动进给器100运动时，在两个垂直方向上的分位移量。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置，其特征在于：包括，

压电陶瓷微驱动进给器(100)，其包括驱动脚(101)和连接盘(102)，所述驱动脚(101)呈中心对称分布于所述连接盘(102)的四周；和，

柔性铰链(200)，包括柔性触脚(201)和固定触脚(202)，柔性触脚(201)对称分布且设置有单边触脚(201a)和双边触脚(201b)，所述双边触脚(201b)与所述固定触脚(202)相接。

2.如权利要求1所述的用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置，其特征在于：

所述的驱动脚(101)为矩形块状，且其长度方向为驱动方向，其宽度方向与所述连接盘(102)相连；

所述的连接盘(102)为中心对称的八边形块状，区分为长边(l)和短边(w)，所述长边(l)和短边(w)间隔设置且对边长度相等，所述长边(l)与两个单边触脚(201a)相连，所述短边(w)与所述驱动脚(101)相连接。

3.如权利要求1或2所述的用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置，其特征在于：所述柔性触脚(201)包括单边触脚(201a)和双边触脚(201b)，单边触脚(201a)为长条状，一端与所述连接盘(102)相接触，另一端通过90度的圆弧与双边触脚(201b)相连。

4.如权利要求3所述的用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置，其特征在于：所述双边触脚(201b)的一条触脚垂直于所述单边触脚(201a)，且一头与单边触脚(201a)相接，另一条触脚在相接处通过90度的圆弧过渡后平行于第一条触脚，两条触脚形成体内空隙，按照传力路径网络结构，空隙中的V形结构将此空隙分割为三个空隙，所述双边触脚(201b)与固定触脚(202)相连。

5.如权利要求1、2或4任一所述的用于微驱动运动平台的柔性位置调节装置，其特征在于：所述柔性铰链(200)的固定触脚(202)，为L形块状，两固定边相互垂直，且沿45度的中斜线对称，两垂直的固定边外侧分别于两个双边触脚(201b)相连，固定触脚(202)的两脚底则用于和装置外部的固定机构固定。

6.一种用于微驱动运动平台柔性位置调节装置的优化设计方法，其特征在于：包括，

根据微驱动运动平台设计目标，确定柔性位置调节装置外形尺寸，建立柔性位置调节装置的原始模型；

设计部分进行网格划分，并赋予材料参数；

给设计部分添加力学约束；

给设计部分设置边界约束条件及目标函数，求解，得出优化结果。

7.根据权利要求6所述的微驱动运动平台柔性位置调节装置的优化设计方法，其特征在于：

所述微驱动平台设计目标，为用于微小型零件的微切削加工的柔性位置调节装置，其中，压电陶瓷微驱动进给器(100)原始形状为方形块状，其边长为60mm～100mm，厚度为6mm～10mm，四周以四个方形开口柔性铰链(200)固定，其厚度与压电陶瓷微驱动进给器(100)相同，柔性铰链(200)内脚架宽度为10mm～15mm，外脚架凸起距离为2mm～5mm。

8.根据权利要求6或7所述的微驱动运动平台柔性位置调节装置的优化设计方法，其特征在于：

所述柔性位置调节装置的原始模型中，其网格采用二维网格对其上表面进行划分，其单元网格类型四边形的壳单元，厚度值为8mm。

9.根据权利要求8所述的微驱动运动平台柔性位置调节装置的优化设计方法，其特征在于：所述柔性位置调节装置的原始模型，其中，

力学约束为分别在四个柔性铰链(200)的外脚架两表面上施加6自由度的完全约束，在压电陶瓷微驱动进给器(100)的右、上两边中心处分别施加20N至40N的向心集中载荷。

10.根据权利要求6、7或9任一所述的微驱动运动平台柔性位置调节装置的优化设计方法，其特征在于：所述柔性位置调节装置的原始模型中，定义其设计变量的矩阵形式为：

find x＝(x₁,x₂,x₃，…x_N)^T

施加集中载荷初设置其最小位移量为6～8μm，即在刚度方程F＝KD中，优化体所受外力矢量为F，优化体结构位移向量为D，且满足D_min＝6～8μm，优化体的刚度矩阵为K，具体表达式为：

其中材料弹性张量为E，实体部分弹性张量为E₀，空洞部分弹性张量为E_min，为了求解过程的稳定，E_min≈0.001E₀；将优化目标设置为体积最小，即：

Minimum M(x)＝F^TD

将V_a、V_b为定义为优化后和优化前的体积，约束参数设为P，优化体体积满足关系式：

V_a≤PV_b

通过迭代计算，使对传力作用较大的部分结构单元相对密度接近1，使对传力作用较小的部分结构单元相对密度接近0，即设计变量x_i满足：

x_i＝{0,1}(i＝1,2，…N)

其中对单元密度接近0的部分进行去除，单元密度接近1的部分进行保留，最终得到优化结果。