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基本信息：

上海工程技术大学·机械与汽车工程学院，研究方向：微纳米运动控制

发表于actuators。影响因子：2.523

论文内容简介

为了使压电驱动器（PZT）和音圈电机等传统电磁致动器实现纳米甚至亚纳米分辨率的定位精度，本文提出了一种基于全柔性的位移缩小机构。一个应用是提供纳米位移标准所需的精确运动。该机构由对称分布的双平行四杆导向机构组成，其中采用矩形梁结构连接使得机构应力分布均匀，提高了整体刚度、固有频率和使用寿命；结构对称分布可以消除X方向的寄生位移，同时避免驱动端的弯矩和侧应力，有效保护音圈电机。更重要的是，音圈电机驱动位移缩小机构从原理上避免了由压电驱动器所导致的迟滞蠕变等各种非线性特性。

首先，基于刚度矩阵法推导了机构位移缩小比、输入刚度和固有频率的解析模型，并在一定约束条件下进行优化设计。然后，通过有限元分析以验证解析模型，并制作实验样机进行性能测试。结果表明，机构的最大行程197.43μm，运动分辨率80 nm，固有频率291 Hz，具有良好的动静态性能。最后，进行了轨迹跟踪测试，最大跟踪误差为全程的±3.5%，验证了该机构的有效性。

研究背景

压电驱动器（PZT）和音圈电机等电磁致动器以其刚度大、分辨率高、响应速度快且能够实现纳米级的定位精度在微纳增材制造、纳米操作机器人和超精密加工等领域被广泛应用[1-4]。然而，压电驱动器仅有几十微米行程；高速控制中存在磁滞和蠕变等非线性特性[5]；控制带宽与运动行程之间矛盾关系[6]，对其控制提出了更高的要求；并且在空间应用也受到限制。

音圈电机磁通量的边缘效应使得电机常数下降严重，限制了驱动力大小,极大影响了定位的稳定性和速度[7]。可见，单纯的使用电磁致动器在工作行程、运动分辨率、力密度、和控制带宽等方面表现出一定的限制[8]，因此一般使用压电陶瓷或音圈电机等微位移致动器驱动柔性机构来实现纳米精度的定位运动。例如，美国The University of North Carolina at Charlotte的Rakuff等采用音圈电机和大变形拱形铰链研制了长行程伺服定位系统，可以实现2 mm的行程、140 Hz 的工作频率和25 nm的跟踪精度[9]。国防科技大学戴一帆教授等设计了音圈电机驱动的快刀伺服系统应用于超精密加工中，行程可达2 mm，频率响应为237 Hz[10]。在以前的文献中，国内外学者对微位移柔性放大机构的构型和设计进行了系统研究，但很少学者对位移缩小机构进行详细研究。位移放大机构理论上可以通过交换输入和输出位置实现位移缩小的目的，然而交换后会产生很多问题。首先，设计放大机构需要考虑的因素与设计缩小机构考虑因素明显不同，将放大机构用作缩小机构会导致负载能量传输效率降低。第二，设计放大比超过50[11,12,13]的放大机构非常困难，因此通过放大机构用做缩小机构几乎不可能获得大的缩小比。如今，研究者开发了各种柔性放大机构来增加PZT有效驱动范围，放大后也仅仅只有几百微米行程。但是，放大机构增加压电驱动器行程范围的同时也放大了误差显著降低了运动分辨率[14]，使得实现纳米甚至亚微米级分辨率的运动变得困难。根据能量守恒定律，位移放大意味着输出力的减小；相反，较小的输入位移使得负载在驱动器输入端急剧放大，造成电磁驱动器的位移损失。此外，引入多级放大结构后将导致刚度和固有频率降低[15]，造成系统的不稳定。然而，采用缩小机构可以缩小传递过程中的误差，提高运动分辨率，其理论分辨率可达纳米级，并且在工作范围内具有良好的线性度。

 创新内容与工程应用价值

本文的创新在于提出一种新型全柔性的位移缩小机构，通过大行程音圈电机驱动位移缩小机构将电机输出位移传递到末端执行器，从而实现纳米级甚至更高分辨率的运动。结构设计方面：由对称分布的双平行四杆导向机构组成,通过采用12个矩形梁结构连接改善机构整体的刚度，避免了谐振所造成的系统不稳定现象；采用对称式分布结构可以消除机构沿X方向的寄生位移，同时可以避免施加到音圈电机上的弯矩和侧应力，有效的保护了音圈电机。在行程范围方面，通过合理的结构设计，用音圈电机驱动位移缩小机构同压电驱动器驱动位移放大机构相差不大。更重要的是，该设计从原理上避免了由压电驱动器所导致的迟滞蠕变等各种非线性特性，并提高了运动分辨率。

此外本文借助太阳成集团tyc234cc公司生产的Links-Box-02仿真器与柔性缩小机构平台结合进行仿真实验得到了很好的实验跟踪效果，最大跟踪误差为全程的±3.5%，验证了该机构的有效性。可为后续学者研究不同形式的柔性位移缩小机构力学性能和设计不同用途的减速器提供了理论分析方法。因此太阳成集团tyc234cc的研究具有重要的工程价值。

基于太阳成集团tyc234cc设备

本文的柔性位移缩小机构跟踪性能评估实验是基于太阳成集团tyc234cc公司提供的Links-Box-02嵌入式实时仿真机和MATLAB/Simulink实时仿真系统软件包等建立了半实物实时仿真控制系统，实时控制环境完成控制器设计以及实验验证。

首先Links-Box-02嵌入式实时仿真机具有非常友好的开发环境，可以直接通过Matlab/Simulink建立好实验仿真程序，实时仿真。仿真操作也比较容易上手，Links-Box-02仿真器结合公司的半实物实时仿真软件包从建立一个仿真工程项目，设置仿真目标机属性后导入建好的Simulink仿真控制程序，但在导入程序之前需要初步验证模型及算法。然后配置好监控变量并保存变量，绘制监控变量曲线页面，以便实时监测变量，启动仿真项目后，半实物模型编译生成的可执行程序将自动下载到目标机，并启动实时运行，与实物设备通过IO硬件进行交互，这样就可以清晰的看到柔性机构轨迹跟踪的效果。仿真结束后，RT-Sim Plus进行实时存储数据上传，可以通过matlab/excel对数据进行后处理，进而得到有效数据并完成实验验证。

这套设备的价值在于它帮助研究人员避免了复杂控制代码程序的编写，直接使用Matlab/Simulink集成模块，把更多的时间投入到高效、可靠的控制器设计中，设备操作简单容易上手，极大缩短了研究人员在控制器验证的时间，在自动化控制，机器人操作控制领域具有很好的应用前景。