D0I:10.13374/i.i8sn1001t153.2010.03.020 第32卷第3期 北京科技大学学报 Vol 32 No 3 2010年3月 Journal of Un iversity of Science and Technology Beijing Mar.2010 全柔性微位移放大机构性能与参数关系 邱丽芳吴国昌李疆 翁海珊 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要基于长柔性杆设计了一种新的微位移放大机构结构形式，根据推导出的力位移关系及放大比关系分析了机构主要 性能与机构参数的关系·通过一组实例的理论计算与有限元仿真，分析得到该机构主要结构参数对机构性能的不同影响 效果 关键词位移放大；柔性机构；柔性铰链：微机电系统 分类号H122 Relationsh ip betw een m echan isn perfom ances and structural param eters of fully com pliant m icro-disp lacem ent am plification m echan ism s QIU Li-fang WU Guo-chang LI Jiang WENG Hai-shan School ofMechanical Engineering University of Science and Technology Beijng Beijng 100083 China ABSTRACT A model of amplification mechan iss was designed on the basis of bng-length flexure beans According to the force- deflection relationsh ip and the amplification ratio derived from analytical method a parametric study on mechan ism perfomances was carried out The effects of the key stmuictural panmeters of the mechan isms on the mechanis perfomances were dentified by theoreti cal calculation and finite element smulation of a set of examples K EY WORDS displacement amplification:compliantmechaniss flexure hinges m icmelectromechanical systems 在微机电系统领域中，有静电式、电磁式等各种的研究较多[⑧-山.本文参考三角放大机构及桥式放 类型的致动器作为动力源，某些致动器的设计中， 大机构结构形式，基于长柔性杆变形，设计了一种全 虽然有很好的精度，但是其可以驱动的距离却较短， 柔性微位移放大机构，通过运用BemoulliEuler假 所以使用这些致动器时通常要用到微位移放大机构 设和悬臂梁弹性变形模型进行了理论分析，得到 来实现大的距离驱动山.柔性铰链结构因其弹性构 了力与输入、输出位移关系及放大比计算公式，通过 件的变形可实现类似普通铰链的运动传递，具有无 一组实例的理论与仿真分析，得到放大机构实例的 摩擦、无间隙和运动灵敏度高的特点，在微型机械中 结构参数与输入输出位移、放大比等性能的关系，并 常作为位移放大器使用，可将位移放大到数百微米， 对理论计算结果与仿真结果的误差产生原因进行了 极大地拓展了微位移驱动器的应用范围和应用 分析，为放大机构的进一步优化设计奠定了理论 领域 基础 由柔性铰链可以组成多种位移放大机构，如多 级杠杆机构3)、差动杠杆放大机构可、多连杆机 1全柔性微位移放大机构设计 构、三角放大机构和桥式放大机构7).目前， 根据“北京大学微电子学研究院国家级微米/ 微位移放大机构研究中多采用短臂柔性铰链连接各 纳米加工重点实验室”的“多用户MEMS体硅标准 构件，有关短臂柔性铰链切口形状和计算方法方面 工艺流程与设计规则20060825”设计完成的全柔 收稿日期：2009-10-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。50805008) 作者简介：邱丽芳(1966)，女，副教授，Email qe ustb edu cn第 32卷 第 3期 2010年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．3 Ｍａｒ．2010 全柔性微位移放大机构性能与参数关系 邱丽芳 吴国昌 李 疆 翁海珊 北京科技大学机械工程学院‚北京 100083 摘 要 基于长柔性杆设计了一种新的微位移放大机构结构形式‚根据推导出的力--位移关系及放大比关系分析了机构主要 性能与机构参数的关系．通过一组实例的理论计算与有限元仿真‚分析得到该机构主要结构参数对机构性能的不同影响 效果． 关键词 位移放大；柔性机构；柔性铰链；微机电系统 分类号 ＴＨ122 Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ ｆｕｌｌｙｃｏｍｐｌｉａｎｔｍｉｃｒｏ-ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ＱＩＵＬｉ-ｆａｎｇ‚ＷＵＧｕｏ-ｃｈａｎｇ‚ＬＩＪｉａｎｇ‚ＷＥＮＧＨａｉ-ｓｈａｎ ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ‚ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ‚Ｂｅｉｊｉｎｇ100083‚Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ａｍｏｄｅｌｏｆａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｌｏｎｇ-ｌｅｎｇｔｈｆｌｅｘｕｒｅｂｅａｍｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｆｏｒｃｅ- ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｎｄｔｈｅａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｒａｔｉｏｄｅｒｉｖｅｄｆｒｏｍａｎａｌｙｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄ‚ａｐａｒａｍｅｔｒｉｃｓｔｕｄｙｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｋｅｙｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｗｅｒｅｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄｂｙｔｈｅｏｒｅｔｉ- ｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆａｓｅｔｏｆｅｘａｍｐｌｅｓ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｃｏｍｐｌｉａｎｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ；ｆｌｅｘｕｒｅｈｉｎｇｅｓ；ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓ 收稿日期：2009--10--29 基金项目：国家自然科学基金资助项目 （Ｎｏ．50805008） 作者简介：邱丽芳 （1966— ）‚女‚副教授‚Ｅ-ｍａｉｌ：ｑｌｆ＠ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｃｎ 在微机电系统领域中‚有静电式、电磁式等各种 类型的致动器作为动力源．某些致动器的设计中‚ 虽然有很好的精度‚但是其可以驱动的距离却较短‚ 所以使用这些致动器时通常要用到微位移放大机构 来实现大的距离驱动 ［1］．柔性铰链结构因其弹性构 件的变形可实现类似普通铰链的运动传递‚具有无 摩擦、无间隙和运动灵敏度高的特点‚在微型机械中 常作为位移放大器使用‚可将位移放大到数百微米‚ 极大地拓展了微位移驱动器的应用范围和应用 领域 ［2］． 由柔性铰链可以组成多种位移放大机构‚如多 级杠杆机构 ［3--4］、差动杠杆放大机构 ［5］、多连杆机 构、三角放大机构 ［6］和桥式放大机构 ［1‚7--8］．目前‚ 微位移放大机构研究中多采用短臂柔性铰链连接各 构件‚有关短臂柔性铰链切口形状和计算方法方面 的研究较多 ［9--11］．本文参考三角放大机构及桥式放 大机构结构形式‚基于长柔性杆变形‚设计了一种全 柔性微位移放大机构‚通过运用 Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ-Ｅｕｌｅｒ假 设 ［12］和悬臂梁弹性变形模型进行了理论分析‚得到 了力与输入、输出位移关系及放大比计算公式‚通过 一组实例的理论与仿真分析‚得到放大机构实例的 结构参数与输入输出位移、放大比等性能的关系‚并 对理论计算结果与仿真结果的误差产生原因进行了 分析‚为放大机构的进一步优化设计奠定了理论 基础． 1 全柔性微位移放大机构设计 根据 “北京大学微电子学研究院国家级微米／ 纳米加工重点实验室 ”的 “多用户 ＭＥＭＳ体硅标准 工艺流程与设计规则 ｖ20060825”设计完成的全柔 DOI :10．13374／j．issn1001—053x．2010．03．020