精密仪器设计第四章作业.docx

精密仪器设计第四章作业
1．试分析图1中机构的特点
①分析机构原理并画出原理图；
②分析机构的主要优点？

图1 微位移机构

a）
R
R1
R2
R3

图1.1 压电驱动微动台结构原理图
机构原理：
当压电晶体两端施加电压时，产生微位移，使得杠杆M1上的a点产生一绕支点b转动的微位移，在c点上使杠杆M2绕支点d转动并在e点处拉动工作台S作微量位移。杠杆M3的支点为f，工作台S由两个杠杆M2和M3上的e点和g点支持，原理简图为图1.1这样，压电晶体的微位移便经过杠杆M1和M2放大，其放大比例为
RT=（1+R1R）（1+R3R2）
优点：
由于采用了柔性铰链，故无爬行、无间隙、无轴承噪声、不需要润滑、位移分辨精度高、而且在低频下运行没有内热产生，且结构紧凑，适合各种超精密加工环境，特别是超真空等。
b)

图1.2 单层X-Y弹性微动工作台结构原理图
机构原理：
它的原理简图见图1.2，他可简化为两个分别进行x、y向运动的平行四连杆机构。在工作台A、B两处安装两个电致伸缩微位移器，当在微位移器上施加电压时，由于四连杆受力而变形，获得两个方向的微位移δx和δy。
优点：
与（a）机构有相同的优点，而且可以在单层上实现两个方向的微动。
c）

图1.3 三自由度微动工作台
工作原理：
原理简图如图1.3所示，整个微动工作台面由4个两端带有柔性铰链的柔性杠支撑，由3个筒状压电晶体驱动，压电器件安装在两端带有柔性铰链的支架上，支架分别固定在粗动台和微动台上，只要控制3个压电器件上的外加电压，便可得到∆x,∆y=∆y1+∆y22,∆θ≈∆y1-∆y2L等3个微动自由度。
主要优点与（a）相同
d）
X
Xi

图1.4 弹性缩小微动台原理图
工作原理：
若弹簧A、B的刚度分别为KA、KB，输入位移为Xi，则微动台的位移X为
x=xiKAKA+KB
如果KB≫KA，则工作台的位移x相对于输入位移xi就被大大地缩小了。
优点：结构简单
e）

图1.5 微动机构原理图
工作原理：
如图1.5所示，用了1/50缩小率的两极杠杆机构，缩小率可有如下公式计算得
∝=y2y1y4y3
应用此公式，可计算出（e）中第二个图中的缩小率为
∝7.577.5+7.5×1562.5=147
优点：能通改变杠杆的级数来改变位移的缩小比，结构简单。
2. 一个叠层体电致伸缩微位移器(如图2所示)，由n片厚度为t的PZT:La组成，电致伸缩系数为M，求这个微位移器所产生的总位移量D，并画出特性曲线。
已知：n=65；t=0.3mm；M=5.5×10-16m2/V2；V=300伏。
(提示：电致伸缩微位移器结构：机械串联，电压并联)

图2 电致伸缩微位移器

答：
由于s=∆tt,D=n∆t=nst，又由于
s=ME2,E=Vt,得
D=nMV2t=10.725μm
特性曲线如下：
图2.1 电致伸缩位移器的特性曲线
3．细绳索悬吊式电磁控制微动工作台如图3所示，其中：
初始最大间隙dmax＝5×10-3m；悬吊金属丝长度L=4×10-1m；空气导磁率µ0＝0.62×10-6H/m；N=80圈；I=2安；磁极截面积S取（5×10-3）×（5×10-3）m2；弹簧为圆柱形螺旋弹簧，弹簧系数α=(2.83×102)kg/m。
试求：微动工作台的位移量。

图3 电磁驱动原理
答：
由电磁铁的吸引力等于弹簧的拉力
B2S2μ=α∆dg
B≈NIμ0dmax
得
∆d=Sμ0N2I22dmax2gα=2.86μm