黃 凱, 高兆康, 羅定輝

0 引 言

應(yīng)用于光電子封裝的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)自20世紀(jì)90年代以來(lái)，引起了國(guó)外學(xué)者的重視。Rensselaer Polytechnic Institute的自動(dòng)化技術(shù)中心研制了應(yīng)用于光電子的微裝配系統(tǒng)，能夠在大范圍內(nèi)進(jìn)行粗動(dòng)，并配置了同樣具有4個(gè)自由度的精動(dòng)平臺(tái)，平動(dòng)精度為0.02 μm，轉(zhuǎn)動(dòng)精度為0.05°。德國(guó)PI公司研發(fā)的H206型光器件耦合對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)采用并聯(lián)式設(shè)計(jì)[1]，可以實(shí)現(xiàn)6個(gè)自由度，最小平動(dòng)精度能達(dá)到0.1 μm，最小轉(zhuǎn)動(dòng)精度可以達(dá)到2μrad。駿河精機(jī)的ES6701自動(dòng)6軸耦合調(diào)節(jié)架[2]，采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，所有方向均可控制，適用于單芯光纖、光纖陣列、光波導(dǎo)及各種光學(xué)元件等所有器件的自動(dòng)調(diào)芯，平動(dòng)分辨率可達(dá)1 μm，轉(zhuǎn)動(dòng)分辨率可達(dá)0.002 5°。由于串聯(lián)式的平臺(tái)組合精度差、剛度不足、誤差有累積、回程間隙無(wú)法避免，而并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)采用具有高精度、結(jié)構(gòu)緊湊、高剛度、無(wú)累積誤差等優(yōu)勢(shì)[3，4]，更適合用于光電子封裝場(chǎng)合。傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)副會(huì)使平臺(tái)存在摩擦、回程間隙和爬行等問(wèn)題，使其高精度特性大打折扣。柔性鉸鏈通過(guò)自身的形變產(chǎn)生角位移，具有無(wú)摩擦、高精度、高分辨率、無(wú)回程間隙等特點(diǎn)。

本文針對(duì)光電子封裝的應(yīng)用背景，針對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的精度、行程等設(shè)計(jì)要求，提出了一種高精度、大行程的柔性并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)副低摩擦或無(wú)摩擦并且無(wú)間隙，平臺(tái)具有較高的幾何精度，驅(qū)動(dòng)部件有較高的精度和平穩(wěn)性。設(shè)計(jì)使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有亞微米級(jí)的精度[5](平動(dòng)精度達(dá)到0.86 μm，轉(zhuǎn)動(dòng)精度達(dá)到0.03°)，滿足了光電子封裝中光器件精準(zhǔn)耦合的需求。

1 柔性鉸鏈形式的選擇

柔性鉸鏈?zhǔn)侨嵝圆⒙?lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的關(guān)鍵部件，柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)能力和轉(zhuǎn)動(dòng)精度直接影響了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的行程和精度。柔性鉸鏈?zhǔn)菢?gòu)建高精密柔性機(jī)構(gòu)的基本單元，基于柔性鉸鏈和并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的柔性并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)承載能力強(qiáng)，剛度高，無(wú)累積誤差，能夠使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)達(dá)到很高的精度和分辨率[6,7]。

柔性鉸鏈通過(guò)自身的形變產(chǎn)生位移，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)副本身的相對(duì)運(yùn)。利用有限元仿真的方法先對(duì)幾種典型的柔性鉸鏈進(jìn)行仿真，得到對(duì)應(yīng)的最大位移如表1所示。

表1 5種典型的柔性鉸鏈性能對(duì)比 mm

可以看出，相較于其他常用結(jié)構(gòu)的柔性鉸鏈，圓角直梁型的柔性鉸鏈具有更好的結(jié)構(gòu)特征和機(jī)械性能。因此,選擇圓角直梁型柔性鉸鏈作為柔性并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)副。

利用有限元軟件進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，導(dǎo)入機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析(automatic dynamic analysis of mechanical systems,ADAMS)軟件的Flex模塊，可以將模態(tài)線性疊加到模擬對(duì)象以凸顯其變形情況，得到柔性鉸鏈的模型如圖1所示。

圖1 柔性鉸鏈

2 柔性并聯(lián)平臺(tái)仿真

2.1 柔性并聯(lián)平臺(tái)模型建立

在模型建立過(guò)程中，需要在保持并聯(lián)平臺(tái)主參數(shù)和運(yùn)動(dòng)特性不變的情況下，對(duì)并聯(lián)平臺(tái)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，達(dá)到既保持虛擬樣機(jī)的力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與并聯(lián)機(jī)器人一致，又去掉大部分對(duì)仿真結(jié)果無(wú)影響的細(xì)微結(jié)構(gòu)或零件，從而提高仿真效率。將ADMAS中已經(jīng)導(dǎo)入模型的鉸鏈全部刪除，然后再將圖1中所構(gòu)建的柔性鉸鏈添加到模型當(dāng)中，添加好約束，如圖2所示。

圖2 柔性并聯(lián)平臺(tái)

在ADAMS中檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該機(jī)構(gòu)具有6個(gè)自由度,說(shuō)明模型建立正確。

2.2 柔性并聯(lián)平臺(tái)平動(dòng)仿真

首先給動(dòng)平臺(tái)施加一個(gè)平動(dòng)位移，實(shí)現(xiàn)其從原點(diǎn)向y軸正方向運(yùn)動(dòng)1 μm，而其他5個(gè)方向的位移均保持不變時(shí)，6個(gè)支鏈的驅(qū)動(dòng)位移如圖3所示。

圖3 柔性并聯(lián)平臺(tái)平動(dòng)仿真

可以看出，當(dāng)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)Y正方向1 μm的運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向與Y軸相同的2個(gè)支鏈part16，part21驅(qū)動(dòng)位移比較大，達(dá)到1 μm，而運(yùn)動(dòng)方向與Y軸相垂直的4個(gè)支鏈part6,part11,part26,part31的驅(qū)動(dòng)位移很小，只有0.4 μm。由于動(dòng)平臺(tái)在實(shí)現(xiàn)Y軸方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要Y方向的驅(qū)動(dòng)位移，因此支鏈part16,part21驅(qū)動(dòng)位移會(huì)比較大；而動(dòng)平臺(tái)的位移會(huì)使得支鏈part11,part26,part31與動(dòng)平臺(tái)的鉸點(diǎn)發(fā)生位移，由于支鏈的長(zhǎng)度固定，所以支鏈part16,part21必然要發(fā)生位移，而支鏈part16,part21的運(yùn)動(dòng)方向是與X軸垂直的Y軸方向，所以在Y軸有微小的位移。由結(jié)果分析可知：動(dòng)平臺(tái)在X方向運(yùn)動(dòng)1 μm時(shí)，在X和Y方向的位移分別為0.4 μm和1 μm，其平均位移(μm)為

由于選定的驅(qū)動(dòng)部件定位精度優(yōu)于0.2 μm，得到動(dòng)平臺(tái)的平移運(yùn)動(dòng)精度(μm)為

X=0.2/0.6×1=0.33

而設(shè)計(jì)目標(biāo)精度為0.87 μm，可以認(rèn)為，動(dòng)平臺(tái)平移運(yùn)動(dòng)精度達(dá)到了設(shè)定值。

2.3 柔性并聯(lián)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)仿真

給動(dòng)平臺(tái)施加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位移，實(shí)現(xiàn)其從位置原點(diǎn)繞Y軸旋轉(zhuǎn)0.03°，而其他5個(gè)方向的位移均保持不變時(shí)，6個(gè)支鏈的驅(qū)動(dòng)位移如圖4所示。

圖4 柔性并聯(lián)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)仿真

可以看出，當(dāng)動(dòng)平臺(tái)繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)0.03°時(shí)，支鏈Part16，part21驅(qū)動(dòng)位移比較大，分別為15.6μm和13.7 μm，支鏈part6,part11,part26,part31驅(qū)動(dòng)位移較小，為6.1 μm。由于動(dòng)平臺(tái)繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度很小時(shí)，6個(gè)支鏈與動(dòng)平臺(tái)的鉸點(diǎn)均在Z軸方向有微小位移，由于支鏈的長(zhǎng)度固定，所以支鏈和底座的鉸點(diǎn)位置發(fā)生改變。由結(jié)果分析可知:動(dòng)平臺(tái)繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)0.03°時(shí)，在X方向的支鏈驅(qū)動(dòng)分別為15.6 μm和13.7 μm，Y方向的支鏈驅(qū)動(dòng)為6.1 μm。其平均位移(μm)為

由于驅(qū)動(dòng)部件的定位精度優(yōu)于0.2 μm，通過(guò)計(jì)算，動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)精度(°)為

θ=0.2/8.95×0.03=0.000 67

而設(shè)計(jì)目標(biāo)的精度為0.03°，因此,可以認(rèn)為，動(dòng)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)精度完全滿足設(shè)定值。

3 結(jié) 論

1)構(gòu)建了一種剛?cè)峄旌系娜嵝圆⒙?lián)與動(dòng)平臺(tái)，為仿真分析提供了模型。

2)通過(guò)對(duì)柔性并聯(lián)平臺(tái)的仿真，可以得到該平臺(tái)的位置精度和旋轉(zhuǎn)精度，與設(shè)計(jì)要求的精度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)滿足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明可以將剛?cè)峄旌系娜嵝圆⒙?lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)應(yīng)用于光電子封裝制造的場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn):

[1] 董 為.基于大行程柔性鉸鏈的6自由度并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.

[2] 齊立民.基于大行程柔性鉸鏈的精密并聯(lián)機(jī)器人研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

[3] Kuo S K，Menq C H．Modeling and control of a six-axis precision motion control stage[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2005，10(1)：50-59.

[4] Hatheway A E.Optomechanical and precision instrument design[C]∥SPIE Optomechanical Design and Precision Instruments,San Diego：SPIE， 1995：60-85.

[5] 陽(yáng) 波.陣列波導(dǎo)器件的模場(chǎng)耦合與對(duì)準(zhǔn)方法研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2013.

[6] Tseytlin Y.Note:Rotational compliance and instantaneous center of rotation in segmented and V-shaped notch hinges[J].Review of Scientific Instruments,2012,83(2):026102-1-026102-3.

[7] Vuilleumier A,Eigenmann M,Bergander A,et al.Development of a fine pointing and trim mechanism[C]∥The 14th ESMATS Constance,Germany,2011.