一种三维微位移操作器U型接头

一种三维微位移操作器

一种三维微位移操作器 2011年12月09日 来源： 1　引言　　很多应用领域都对微操作机构提出了要求。超大规模集成电路光刻密度的提高，微型工程中的微加工和微装配，生物工程中对细胞的捕获和操作等，都要求具有微米级的位移和亚微米乃至纳米级的精度。　　传统的微位移机构有杠杆式放大缩小机构、钭面式放大缩小机构等。这些机构都是对机构输入一个位移，而在输出端得到微小位移。这些机构在精密仪器中仍得到广泛的应用。平行片簧导轨机构在输入力的作用下，片簧产生弹性变形而产生微小位移。这种导轨机构可以获得微米级位移，其缺点是会在运动方向上的垂直方向产生耦合位移。　　近年来，柔性铰链被逐步应用于微位移机构中。大多数的微位移工作台都是组装式的，X、Y方向的微位移机构和Z方向的微位移机构组装成三维微位移工作台。装配面的接触刚度和相对运动对工作台的运动精度产生不利影响。　　本文在前人工作的基础上，介绍了一种三维微位移机构，这种机构以柔性铰链为弹性支承，以电致伸缩器件为驱动器，且尽量减除与运动垂直方向的耦合位移。2　柔性铰链　　柔性铰链结构如图1所示。铰链为中间具有圆弧形切口的部分。由于铰链两侧的截面尺寸远大于铰链处的截面尺寸，可以认为其为刚体，弹性变形只发生在柔性铰链处。微位移机构中，柔性铰链受到弯矩的作用产生弹性变形，而产生有限的转角位移，这种变形是可逆的。图1　柔性铰链　　在弯矩Mw的作用下，柔性铰链产生的转角位移为θw，则有：　　 （1）　　Kw=Ebc （2）式中：Kw——柔性铰链的抗弯刚度；　　　E——与材料有关的弹性模量；　　　c——与柔性铰链尺度有关的弯曲几何系数。　　若R＜t，由材料力学可以推出柔性铰链弯曲几何系数为：　　 （3）　　若在应用中，柔性铰链还受到轴向力Fl的作用，将产生轴向拉伸变形Δl，则有：　　 （4）　　 （5）式中：Kl——柔性铰链的抗拉刚度；　　　D——柔性铰链的拉伸几何系数。　　由材料力学亦可推出：　　 （6）在式（3）及式（6）中：。3　X向微位移机构　　X向微位移机构与Y向微位移机构结构相似，都可等效于平行四杆机构。若只在工作台的一侧有平行四杆机构，则当在X方向产生一个微位移时，会在Y向产生一个耦合位移，这样会对Y向位移产

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