台柔性铰链技术在精密联接工艺也有应用，如激光焊接中，需要较大运动范围结构紧凑高刚度垂直运动的微动台。

如图所示运动的微动台，水平内置式压电块推动杆和杆，通过对称的柔性铰链放大机构将压电块位移转化为台面的垂直运动。

该微动台的运动范围为，垂直刚度为，频响为。

尤其在纳米技术领域中有着更好的应用前景柔性铰链国内外现状和发展趋势柔性铰链是近年来发展起来的种新型机械传动和支撑机构，用于绕轴作复杂运动的有限角位移。

也可理解为利用其结构薄弱部分的弹性变形可实现类似普通铰链的运动传递。

柔性铰链具有无摩擦无间隙运动灵活敏度高的特点，常用来作为位移放大器，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。

尤其在纳米技术领域中有着更好的应用前景，柔性铰链是实现纳米级微运动的关键技术，其运动位移的测量与控柔性铰链具有无摩擦无间隙运动灵活敏度高的特点，常用来作为位移放大器，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。

也可理解为利用其结构薄弱部分的弹性变形可实现类似普通铰链的运动柔性铰链国内外现状和发展趋势柔性铰链是近年来发展起来的种新型机械传动和支撑机构，用于绕轴作复杂运动的有限角位移。

部分内容简介电陶瓷驱动器第章总结与展望总结展望参考文献致谢附录附录二第章绪论六十年代前后，由于宇航和航空等技术发展的需要，对实现小范围内偏转的支承，不仅提出了高分辨率的要求，而且还对其尺寸和体积提出了微型化的要求，人们在经过对各种类型的弹性支承的试验探索后，才逐步开发出体积很小，可做到无机械摩擦无间隙的柔性铰链，柔性铰链立即被广泛地用于陀螺仪加速度计精密天平等仪器仪表中。

柔性铰链国内外现状和发展趋势柔性铰链是近年来发展起来的种新型机械传动和支撑机构，用于绕轴作复杂运动的有限角位移。

也可理解为利用其结构薄弱部分的弹性变形可实现类似普通铰链的运动传递。

柔性铰链具有无摩擦无间隙运动灵活敏度高的特点，常用来作为位移放大器，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。

尤其在纳米技术领域中有着更好的应用前景，柔性铰链是实现纳米级微运动的关键技术，其运动位移的测量与控制是实现纳米运动的核心技术。

柔性铰链的类型目前柔性铰链的类型主要有单轴柔性铰链，双轴柔性铰链两种单轴柔性铰链截面形状有圆形和矩形的两种，如图所示。

图单轴柔性铰链双轴柔性铰链是由两个互成的单轴柔性铰链组成的图，对于大部分应用，这种设计的缺点是图单轴柔性铰链两个轴没有交叉，具有交叉轴的最简单的双轴柔性铰链是把颈部作成圆杆状图，这种设计简单且加工容易，但它的截面面积比较小，因此纵向强度比图弱得多。

需要垂直交叉和沿纵向轴高强度的双轴柔性铰链，可采用图的结构。

图双轴柔性铰链柔性铰链国内外现状就现阶段的发展趋势，柔性铰链的应用主要是与压电致动相结合，形成微位移机构。

最早，美国国家标准局开发了个微定位工作台并用于光掩模的线宽测量。

为了能在光学和电子显微镜中更好地使用，要求工作台结构紧凑并能在压电驱动高精度工作台真空中工作。

如图所示，工作台采用了压电元件驱动，柔性铰链机构进行位移放大的方案。

压电元件在低频工作时的能量耗散为零，因此工作台没有内部热源。

工作台可在的工作范围内，以或更高的分辨率对物体定位。

图压电驱动高精密工作台柔性铰链技术在精密联接工艺也有应用，如激光焊接中，需要较大运动范围结构紧凑高刚度垂直运动的微动台。

如图所示运动的微动台，水平内置式压电块推动杆和杆，通过对称的柔性铰链放大机构将压电块位移转化为台面的垂直运动。

该微动台的运动范围为，垂直刚度为，频响为。

图垂直运动的微工作台我国如今柔性铰链代表性产品，如哈尔滨芯明天科技有限公司以柔性铰链原理开发的六维并联微动台，如图所示，运动方向最大推力为，最大负载为，可内置位移传感器，方便实现闭环控制，闭环重复定位精度为纳米级，控制方式压电陶瓷驱动电源或与模块化压电陶瓷控制系统。

图六维并联微动台柔性铰链研究趋势近年来，采用压电元件驱动，柔性铰链机构传动实现精密定位有着众多的应用，如微动工作台，引激光焊接光学自动聚焦系统等众多领域。

纳米定位技术是实现纳米加工和纳米测量的基础，柔性铰链在该领域也有着极其重要的应用。

就目前来看，柔性铰链压电致动微动工作台的研究将占主导地位。

随着机器人领域的发展，其运动精度要求达到亚微米级，显然以前的技术无法很好满足此要求。

柔性铰链技术很好地解决了这个问题，大行程柔性铰链并联机器人的研究成为机器人研究的热门课题。

柔性铰链研究意义随着纳米技术的兴起和飞速发展，基于柔性铰链压电陶瓷驱动的纳米级微定位技术已成为能束加工超精密加工微操作系统等前沿技术的基础支持技术。

利用柔性铰链的众多优点，易实现亚微米甚至纳米级的精度。

因此，研究柔性铰链对于纳米技术的进步发展与广泛应用非常有意义。

毕业设计任务本次毕业设计采用柔性铰链设计套维平行四边形结构的微动工作台，利用电容传感测量方法，构成套完整的微运动测量与控制系统，实现运动范围分辨率。

主要完成任务有对维柔性铰链微动工作台的机构设计与分析，并对该工作台运动位移的测量方法和控制方法进行详细设计，包括相关电子电路软件程序等部分的详细设计，并绘制出相应的方案图原理图电路图流程图等。

第章柔性铰链微动工作台测量与控制系统总体设计总体方案设计本次毕业设计以柔性铰链为基本单元，设计平行四杆机构的微动工作台，以压电陶瓷为驱动，用电容传感器测量该微动工作台的运动位移，柔性铰链微动工作台运动范围达分辨率达。

总体方案如图所示。

图柔性铰链微动工作台的测量与控制总体方案框图该柔性铰链微动工作台，由柔性铰链平行四杆机构产生个微位移量，使用电容式传感器进行测量，产生个电信号。

信号再通过电容式传感器处理电路电容式传感器电容式传感器信号处理电路转换器单片机键盘输入位数码显示电极的高度就是被测量。

该电容器的总电容等于介质为气体部分的电容与介质为液体部分的电容的并联，图电容式液面计即因为，式中电极高度外电极的内半径内电极的外半径所以式中，均为常数。

式表明，液面计的输出电容与液面高度成线性关系。

变极距型基本的变极距型电容式传感器有个定极板和个动极板，如图所示当动极板随被测量变化而移动时，两极板的间距就发生了变化，从而也就改变了两极板间的电容量。

图基本的变极距型电容传感器设动极板在初始位置时与定极板的距离为，此时的初始电容量为当被测量的变化引起间距减小了时，电容量就变为当时，，则式可以化简为此时电容变化量这时与近似呈线性关系，所以改变极板距离的电容式传感器往往是设计成在极小范围内变化的。

另外，由图可以看出，当较小时，对于同样的变化引起的电容变化量可以增大，从而使传感器的灵敏度提高，但过小时，容易引起电容器击穿，改善击穿条件的办法是在极板间放置云母片，如图所示，此时电容变为式中，为云母片的相对介电系数，为空气的介电常数，为云母片的厚度为空气厚度图电容量与极板距离的关系图放置云母片的电容器差动式变极距型电容式传感器如图所示，是差动式电容传感器原理图。

当动极板向上移动时，由式可得，电容总变化量图差动式电容传感器比较式和可见，采用差动结构可使传感器的灵敏度提高倍。

由于差动结构的变极距型电容式传感器既提高了灵敏度，又减小了非线性误差，所以在本次设计中将采用这种结构。

电容式传感器转换电路转换电桥图为差动式变极距型电容式传感器所用的变压器电桥的电路原理。

图转换电桥电路当电桥输出端开路负载阻抗为无穷大时，电桥的输出电压为以，代入上式可得式中，和差动电容式传感器的电容。

即则由式可见，变压器式电桥在输出阻抗极大的情况下，对于极距变化型电容式传感器，其输出电压也与极板位移呈线性关系。

相敏检波电路如图所示是高输入阻抗线性全波检波电路图图高输入阻抗线性全波检波电路电压从电路图左端口输入，该电路它采用同相端输入。

当时，导通截至，的同相输入端与反相输入端相同信号，得到。

时，截至，导通，取，这时的输出为的输出为所以相敏检波后的输出信号为含有直流分量的周期信号，其包含高次谐波，故进行低通滤波。

，构成阶低通滤波，其截至频率应远小于信号的频率。

本次毕业设计中微动工作台的运动范围为，根据公式可得电容式传感器转换电路输出范围为，即微动工作台变动，电容式传感器转换电路电压变动转换电路由于本次毕业设计中的柔性铰链微动工作台行程为分辨率为，因此需要倍细分，而，因而需选择个位的转换器。

本次毕业设计采用的转换器为，它是个单电源供电的高速低功耗位逐次逼近式转换器，转换速度为，功耗为。

的集成性好，内部包含参考电压源高速并行接口和时钟。

出厂前芯片的所有线性误差都得到了补偿，并且，诸如信噪比和总谐波失真等的交流参数及失调，增益和线性度都得到全面测试。

满量程输入范围为，本次毕业设计采用的输入量程为。

的转换精度为引脚功能如下所述模拟输入。

该引脚和模拟信号源之间连接个的电阻。

模拟地。

作为引脚的参考地。

基准输入输出。

该引脚为内部基准的输出或从该引脚输入个外部基准。

两种情况下，均应在该引脚和引脚之间接入个的电容。

基准缓冲器输出。

该引脚和引脚之间接入个的电容。

模拟地。

数据位。

数据位数字地。

数据位数据位字节选择。

为低时，脚为，脚为。

为高时，高低位数据交换输出。

与单片机接口电路如图所示，启动转换的条件是