畢業(yè)設(shè)計(jì)論文_基于柔性鉸鏈的微位移設(shè)計(jì)

1、第一章 緒論1.1 柔性鉸鏈簡介 柔性鉸鏈定義柔性鉸鏈作為一種小體積、無機(jī)械摩擦、無間隙和運(yùn)動(dòng)靈敏度高的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于各種要求微小線位移或角位移、且高精度定位的場合。開創(chuàng)了工作臺(tái)進(jìn)入毫米級(jí)的新時(shí)代。柔性鉸鏈有成千上萬的應(yīng)用，如：陀螺儀、加速度計(jì)、天平、控制導(dǎo)彈的噴嘴、控制器 顯示儀、記錄儀、調(diào)整器、放大連桿、計(jì)算機(jī)、繼電器和傳動(dòng)連桿。60年代前后，由于宇航和航空等技術(shù)開展的需要，對(duì)實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)的支承，不僅提出了高分辨率的要求，而且對(duì)其尺寸和體積提出了微型化的要求。人們在經(jīng)過對(duì)各種類型的彈性支承實(shí)驗(yàn)探索后才逐步開發(fā)出體積小、無機(jī)械摩擦、無間隙的柔性鉸鏈。隨后柔性鉸鏈在支撐結(jié)構(gòu)、聯(lián)接結(jié)

2、構(gòu)、調(diào)整機(jī)構(gòu)和測量儀器中的得到廣泛應(yīng)用,并獲得了前所未有的高精度和穩(wěn)定性，并日益成熟。 70年代末，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局引入了柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)以放大壓電驅(qū)動(dòng)器的位移，使其設(shè)計(jì)的工作臺(tái)既具有亞納米級(jí)的位移分辨率，又具有相對(duì)較大的行程。 近年來，柔性鉸鏈以其特殊的性能在精密機(jī)械、精密測量、微米技術(shù)和納米技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用沒，尤其是柔性鉸鏈與壓電致動(dòng)結(jié)合實(shí)現(xiàn)超精密位移和定位。 柔性鉸鏈用于繞軸作復(fù)雜的有限角位移，它的特點(diǎn)是：無機(jī)械摩擦、無間隙、運(yùn)動(dòng)靈敏度高。柔性鉸鏈有很多種結(jié)構(gòu)，最普通的形式是繞一個(gè)軸彈性彎曲，這種彈性變形是可逆的。.2 柔性鉸鏈運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法柔性鉸鏈?zhǔn)峭ㄟ^彈性形變來實(shí)現(xiàn)鉸鏈運(yùn)動(dòng)。 施加的

3、彈性變形力會(huì)導(dǎo)致鉸鏈中心點(diǎn)偏移其幾何中心，從而影響柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)精度。柔性鉸鏈用于繞軸做復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的有限角位移，它有很多種結(jié)構(gòu)，最普通的形式是繞一個(gè)軸彈性彎曲，這種彈性變形是可逆的。 1.1.3 柔性鉸鏈類型 柔性鉸鏈可分為單軸柔性鉸鏈和雙軸柔性鉸鏈。單軸柔性鉸鏈的截面形狀有圓形與矩形兩種，如圖1-1所示。圖11 單軸柔性鉸鏈 雙軸柔性鉸鏈?zhǔn)怯蓛蓚€(gè)互成90度的單軸柔性鉸鏈組成的如圖1-2a，對(duì)于大局部應(yīng)用，這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是兩軸沒有交叉，具有交叉的最簡單的雙軸柔性鉸鏈?zhǔn)前杨i部作成圓桿狀如圖1-2b，這種設(shè)計(jì)簡單且容易加工，但它的截面積比擬小，因此縱向強(qiáng)度比圖1-2a弱得多。需要垂直交叉和沿縱向軸高

4、強(qiáng)度的雙軸柔性鉸鏈，可采用圖1-2c。圖12 雙軸柔性鉸鏈1.2 柔性鉸鏈的開展 柔性鉸鏈在國外的研究開展 在早期美國國家標(biāo)準(zhǔn)局設(shè)計(jì)了一體化的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu), 以聯(lián)接X 射線干預(yù)儀和光學(xué)干預(yù)儀。它采用3 級(jí)杠桿, 從驅(qū)動(dòng)點(diǎn)到工作臺(tái)面的位移縮小比到達(dá)10001, 由此降低了對(duì)驅(qū)動(dòng)元件的要求, 但柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜。他們還利用柔性鉸鏈在幾角秒的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)到達(dá)1 微角秒的調(diào)節(jié)精度。為了加大X 射線干預(yù)儀的測量范圍，德國設(shè)計(jì)了如圖1-3對(duì)稱結(jié)構(gòu)的柔性鉸鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)消除了在主運(yùn)動(dòng)垂直方向上的干預(yù)運(yùn)動(dòng), 測量范圍到達(dá)了200m。 圖1-3對(duì)稱結(jié)構(gòu)的柔性鉸鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)70年代美國國家標(biāo)準(zhǔn)局引入了柔性鉸鏈

5、機(jī)構(gòu)以放大壓電驅(qū)動(dòng)器的位移，使其設(shè)計(jì)的工作臺(tái)既具有亞納米級(jí)的位移分辨率，又具有相對(duì)較大的行程。而此時(shí)的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)精度高等特點(diǎn)，因此在精密機(jī)械、精密測量、微米和納米技術(shù)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 1978 年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局開發(fā)了一個(gè)微定位工作臺(tái)并用于光掩模的線寬測量。為了能在光學(xué)和電子顯微鏡中使用, 要求工作臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊并能在真空中工作。如圖1-4所示,工作臺(tái)采用了壓電元件驅(qū)動(dòng), 柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行位移放大的方案。壓電元件在低頻工作時(shí)的能量耗散為零,因此工作臺(tái)沒有內(nèi)部熱源。工作臺(tái)可在50 Lm 的工作范圍內(nèi),以1 nm或更高的分辨率將物體線性定位。工作臺(tái)還被用于其它顯微物體, 如生物細(xì)胞

6、、空氣污染顆粒和石棉纖維等的尺寸精密測量。 圖1-4壓電驅(qū)動(dòng)高精度工作臺(tái)1.2.2 柔性鉸鏈在國內(nèi)外的最新研究開展 國內(nèi)最新研究、設(shè)計(jì)了一種柔性壓電式微定位機(jī)構(gòu)。如圖1-5所示，此機(jī)構(gòu)采用壓電陶瓷作為微位移驅(qū)動(dòng)器, 柔性鉸鏈為導(dǎo)向機(jī)構(gòu), 對(duì)絲杠螺母傳動(dòng)的精密機(jī)床工作臺(tái)運(yùn)位置進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 在精密滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)的超精密加工機(jī)床上, 增加柔性壓電式微位移機(jī)構(gòu), 可使機(jī)床的定位精度由原來的1m，且由于柔性鉸鏈的放大作用, 定位行程到達(dá)100m, 顯著改善了機(jī)床的性能, 圖1-5精密機(jī)床工作臺(tái)微定位原理圖能夠滿足精密、超精密定位精度要求. 圖1-5精密機(jī)床工作臺(tái)微定位原理圖目前提出了一種

7、新穎的大行程柔性鉸鏈及應(yīng)用該種柔性鉸鏈作為被動(dòng)關(guān)節(jié)的大行程柔性鉸鏈并聯(lián)機(jī)器人。如圖1-6所示，該系統(tǒng)能夠在立方厘米級(jí)的工作空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)的運(yùn)動(dòng)精度。如韓國高等科技大學(xué)的Ryu等人研制了三支鏈柔性鉸鏈平面并聯(lián)機(jī)器人， 驅(qū)動(dòng)元件采用壓電陶瓷, 而整體結(jié)構(gòu)中所有被動(dòng)關(guān)節(jié)均采用正圓弧型柔性鉸鏈。由于壓電陶瓷的末端輸出行程有限，為得到并聯(lián)結(jié)構(gòu)末端點(diǎn)較大的工作空間，這里合理的安排了柔性鉸鏈的位置，使得支鏈均構(gòu)成了放大結(jié)構(gòu)。 Ryu等在建立了整體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的根底上，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定，并做了大量試驗(yàn)。 最終該系統(tǒng)在X、Y 兩個(gè)方向的軸線位移和Z方向的角位移可分別達(dá)41微米、47.8 微米和聯(lián)機(jī)器人32

8、2.8角秒，而相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)分辨率可達(dá)7.6納米、8.2納米和0.057角秒。 圖1-6大行程柔性鉸鏈并聯(lián)機(jī)器人第二章 總體方案設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)思路 用柔性鉸鏈為根底單元，設(shè)計(jì)出柔性鉸鏈的微開工作臺(tái)，使用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器PZT具有體積小、分辨率高、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)來驅(qū)動(dòng)，用電容式傳感器來測量該微開工作臺(tái)的位移變化量，使用A/D轉(zhuǎn)換，從而使模擬量變?yōu)閿?shù)字量，以便直觀觀察。 該微位移工作系統(tǒng)，由彈性精密微開工作臺(tái)產(chǎn)生一個(gè)微位移量d，使用電容式傳感器對(duì)其進(jìn)行測量，產(chǎn)生一個(gè)交流信號(hào)。信號(hào)再通過處理電路由A/D把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化數(shù)字信號(hào)送入51單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理。并通過D/A轉(zhuǎn)換使其成模擬信號(hào)，通過PID控制電路的

9、運(yùn)算，由于PID產(chǎn)生的信號(hào)十分微弱，用功率放大器對(duì)其進(jìn)行一定程度的放大， 從而驅(qū)動(dòng)電壓陶瓷驅(qū)動(dòng)器PZT工作柔性鉸鏈的運(yùn)動(dòng)的范圍為 100m，分辨率為0.1nm，其方案圖如下：柔性鉸鏈的微開工作臺(tái)電容式傳感器進(jìn)行測量信號(hào)處理電路處理信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換51單片機(jī)D/A轉(zhuǎn)換PID控制電路功率放大LED數(shù)值顯示壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器PZT鍵盤輸入控制 2-1方案簡圖 功能模塊簡介壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器PZT：用來驅(qū)動(dòng)平行四桿的微工作移動(dòng)，從而使依附在鉸鏈上的電容的間距產(chǎn)生變化；柔性鉸鏈的微開工作臺(tái)：平行四桿結(jié)構(gòu)，當(dāng)在AC桿上加一個(gè)力F時(shí)，由于四個(gè)柔性鉸鏈的形變，使AB桿在水平方向上產(chǎn)生一位移，而實(shí)現(xiàn)無摩擦、無間隙和高分辨

10、率的微動(dòng)； 電容式傳感器電路：通過電容間距的變化，從而電路產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電壓量，實(shí)現(xiàn)位移量到電壓量的轉(zhuǎn)換，以便于直接觀察與控制；信號(hào)處理電路：用檢波電路與低通電路，濾除高次諧波和干擾信號(hào)，從而得到想要的直流的周期信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)換：把輸出地直流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，并傳入單片機(jī)處理；單片機(jī)：主要用來控制A/D、D/A轉(zhuǎn)換，并把相應(yīng)的電壓量用數(shù)字顯示出來，以便直接的觀察了解；D/A轉(zhuǎn)換：把單片機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，以便為后面的驅(qū)動(dòng)電路提供一定的功率，使之能正常工作；PID控制電路：改良反應(yīng)控制系統(tǒng)的性能，提高電路的穩(wěn)定性、快速性無殘差性的理想性能；功率放大：

11、放大輸入的功率，為下級(jí)負(fù)載提供足夠的大的功率；總之，各功能模塊的合理搭配，就實(shí)現(xiàn)了柔性鉸鏈微開工作臺(tái)的精密測量系統(tǒng)。第三章 柔性鉸鏈微動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)3.1 柔性鉸鏈力學(xué)模型柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)示意圖如2-11，這里采用雙圓弧柔性鉸鏈其繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為：式中：E：材料的彈性模量； t、h：鉸鏈的厚度； b：鉸鏈的高度； r:鉸鏈的圓弧半徑;圖3-1柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)示意圖驅(qū)動(dòng)力對(duì)柔性鉸鏈產(chǎn)生一個(gè)繞z軸的力矩Mz，使鉸鏈繞z軸偏轉(zhuǎn)z角，而且：Mz在y方向產(chǎn)生位移y：3.2 微工作臺(tái)設(shè)計(jì) 平行四桿機(jī)構(gòu)以柔性鉸鏈為根本單元的彈性微開工作臺(tái)采用壓電伸縮微式位移器驅(qū)動(dòng)，其根本結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。通過在一塊板材上加工開孔和開

12、縫，使圓弧切口處形成彈性支點(diǎn)即柔性鉸鏈與剩余的局部成為統(tǒng)一體，從而組成平行四桿結(jié)構(gòu)，當(dāng)在AC桿上加一個(gè)力F時(shí)，由于四個(gè)柔性鉸鏈的形變，使AB桿在水平方向上產(chǎn)生一位移，而實(shí)現(xiàn)無摩擦、無間隙和高分分辨率的微動(dòng)。 圖3-2 柔性鉸鏈的微開工作臺(tái)為增加彈性微開工作臺(tái)的承載能力，并提高運(yùn)動(dòng)方向上的剛度，確保工作臺(tái)具有良好的動(dòng)態(tài)特性和抗干擾能力，在不增加工作臺(tái)尺寸即厚度的前提下，應(yīng)盡可能增大圖3-2柔性鉸鏈微開工作臺(tái)模型柔性鉸鏈細(xì)頸處的厚度，并減小圓弧切口的半徑。在這種情況下，t往往大于或等于。設(shè)計(jì)柔性鉸鏈時(shí)應(yīng)采用條件下的設(shè)計(jì)方法。 微動(dòng)臺(tái)的根本模型及設(shè)計(jì)計(jì)算公式如圖3-2所示的微開工作臺(tái)根本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)

13、行以下假設(shè)：工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，僅在柔性鉸鏈處產(chǎn)生彈性變形，其他局部可認(rèn)為是剛體；. 柔性鉸鏈只產(chǎn)生轉(zhuǎn)角變形，無伸縮及其他變形。設(shè)四個(gè)柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角剛度K ，那么當(dāng)四連桿機(jī)構(gòu)在外力的作用下產(chǎn)生的平移，每個(gè)柔性鉸鏈所儲(chǔ)存的彈性能為： K2式中，=；K由查表得；外力F所做的功為： 由能量守恒定律：A=4A0，可推導(dǎo)出彈性微開工作臺(tái)的剛度值根本設(shè)計(jì)計(jì)算公式： 彈性微動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)時(shí)，首先完成整個(gè)工作的零件圖及裝配草圖，選擇材料，計(jì)算出該工作臺(tái)的質(zhì)量。確定柔性鉸鏈的根本參數(shù)和。柔性鉸鏈的根本參數(shù)，應(yīng)滿足以下工作要求： 柔性鉸鏈內(nèi)部應(yīng)力要小于材料的許用應(yīng)力。在微位移范圍內(nèi)，此條件一般都能滿足。微位移器產(chǎn)生

14、的最大位移輸出時(shí)，微動(dòng)臺(tái)的彈性恢復(fù)力應(yīng)小于微位移器的最大驅(qū)動(dòng)力。微動(dòng)臺(tái)的剛性應(yīng)盡可能大，使其具有良好的動(dòng)態(tài)特性和抗干擾能力。根據(jù)微開工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)原理，微動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)模型可以簡化為一階彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，故微動(dòng)臺(tái)的固有頻率： (m彈性為動(dòng)臺(tái)局部的質(zhì)量)本次設(shè)計(jì)中，微開工作臺(tái)的尺寸范圍為130mm100mm200mm，固有頻率f=219Hz，剛度K= /m,t=2mm,R=,m=。第四章 硬件設(shè)計(jì) 壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器壓電陶瓷在電場作用下產(chǎn)生的形變量很小，最多不超過本身尺寸的千萬分之一，別小看這微小的變化，基于這個(gè)原理制做的精確控制機(jī)構(gòu)壓電驅(qū)動(dòng)器，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、分辨率高、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)

15、采用P-840 預(yù)負(fù)載開/閉環(huán)低壓壓電促動(dòng)器如圖4-1，其特性如下：最大行程：180um；分辨率：小于1nm，最小可達(dá)0.05nm；剛度：最大可達(dá)1280N/um；工作溫度范圍：-40+150；最大推/拉里：可達(dá)30000N/3500N。圖4-1 P-840 預(yù)負(fù)載開/閉環(huán)低壓壓電促動(dòng)器4.2 電容式傳感器4.2.1電容式傳感器原理對(duì)于位移、角位移、振動(dòng)、壓力、加速度以及液面位置、料面位置等物理量的變化換成電容量的變化，構(gòu)成一個(gè)可變的電容器，即電容式傳感器。電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，本身發(fā)熱小，適合于非接觸量。缺點(diǎn)是容易受寄生電容的影響和外界干擾。由物理學(xué)可知，兩平行極板組成的電容器如

16、果不考慮非均勻電場引起的邊緣效應(yīng)，其電容量為： 4-1式中，為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，=0r ，0為真空的介電常數(shù)，0=10-12F/m，r是介質(zhì)相對(duì)真空的介電常數(shù)，r空氣1，其他介質(zhì)材料r 1；S為極板覆蓋面積；d為極板間距離。由于被測量的變化引起電容式傳感器有關(guān)參數(shù)，S，d的變化，使電容量C也隨之變化。據(jù)此，常見電容式傳感器的類型有：變間隙改變d，變面積式改變S，變介電常數(shù)式改變?nèi)N類型。本次設(shè)計(jì)中由于改變電容間距，故采用的是變間隙式電容傳感器12。4.2.2變間隙式電容傳感器圖4-2為變間隙式電容傳感器的原理圖。由式4-1可知C與d成反比，如極距有增量-d，電容量產(chǎn)生相應(yīng)增量+C。圖4-2

17、為變間隙式電容傳感器 4-2由冥級(jí)數(shù)展開式： 4-3略去非線性項(xiàng)后得： 設(shè) 4-4電容式傳感器靈敏系數(shù)的物理意義是單位位移引起的電容量相對(duì)變化大小。由于略去非線性項(xiàng)引起的相對(duì)非線性誤差為： 4-5可見極板間距越小，有利于提高林敏度，但間距d過小易造成極板板間介質(zhì)擊穿，并且增加了極板的加工與安裝難度。4.2.2.1差動(dòng)變間隙式電容傳感器為了改善非線性，并增加電容變化量，采用差動(dòng)式圖4-3。圖4-3差動(dòng)變間隙式電容由式4-3有同理，又有 接成差動(dòng)式，使輸出為兩電容量差，有略去高次項(xiàng)得近似線性關(guān)系為： 4-6那么由差動(dòng)式的靈敏系數(shù)： 4-7相應(yīng)的非線性誤差： 4-8比擬式4-4與式4-7，式4-5與

18、式4-8，知差動(dòng)式可使靈敏度提高一倍，非線性誤差也大為減少。 故本次設(shè)計(jì)采用差動(dòng)變間隙式電容傳感器。4.3電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路4.3.1交流電橋調(diào)幅電路 圖4-4變壓器電橋的電路所示，C1與C2 以差動(dòng)形式接入相鄰兩個(gè)橋臂，另兩個(gè)橋臂接變壓器的二個(gè)次級(jí)線圈12.圖4-4變壓器電橋的電路當(dāng)交流電橋處于平衡位置時(shí)，電容傳感器的起始電容量C1與C2 相等，兩者容抗相等， 電容傳感器工作在平衡位置附近時(shí)，有電容變化量輸出時(shí)，那么，根據(jù)式4-1有：； 由圖知，次級(jí)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢為，那么空載輸出電壓為： 4-9又有： ； 4-10可見電橋輸出電壓除與被測量變化有關(guān)外，還與電橋電源電壓有關(guān)，要求電源電壓采取

19、穩(wěn)幅和穩(wěn)頻措施。4.3.2 精密檢波電路圖4-5為線性全波檢波電路原理圖3圖4-5 線性全波檢波電路該電路取R1=R3=R4=R5=R2/2。在調(diào)幅波Us為正半周期，D1截止，D2導(dǎo)通，即N1運(yùn)放閉環(huán)導(dǎo)通，那么N1的輸出電壓UA為：N2組成相加放大器，其輸出為： 在調(diào)幅波Us為負(fù)半周期時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止，即UA=0，U0 =Us，所以從而得到全波整流信號(hào)，同時(shí)N2與R3、R4、C等構(gòu)成低通濾波器，去除混在U0的高次諧波，得到只含直流量的周期信號(hào)。4.4 AD77036所示AD7703是美國 AD公司生產(chǎn)的20位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ，它的非線性為0.0003%，并具有可選的校驗(yàn)方式以及溫度工作范圍寬

20、 (一般為-40 - 80)、抗干擾能力強(qiáng)、靈活的串行接口等特點(diǎn)，適用于工業(yè)測控過程、便攜式儀表等領(lǐng)域的信號(hào)采樣。4.4.1 各引腳定義MODE:.串行口方式選擇端，MODE為1時(shí)為內(nèi)同步，MODE為0時(shí)為外同步；CLKIN：時(shí)鐘輸入端.當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)，CLKIN為外時(shí)鐘輸入端，CLKOUT端不用；CLKOUT：時(shí)鐘輸出端.當(dāng)采用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此腳為內(nèi)時(shí)鐘輸出端； SC1和SC2：系統(tǒng)校準(zhǔn)方式選擇端，可組合選擇AD7703的校準(zhǔn)方式.；DGND和AGND：數(shù)字地與模擬地；5V；5V；AIN：模擬信號(hào)輸入端.范圍為0-+2.5V.單極性時(shí)或2.5V雙極性時(shí)；VREF：參考電源電壓輸入端.通常接+

21、2.5V基準(zhǔn)電壓；SLEEP：睡眠工作方式設(shè)置端，此腳接地時(shí)為睡眠工作方式；BP/UP端：單雙極性輸入方式選擇端，低電平時(shí)為單極性，高電平時(shí)為雙極性；CAL：校準(zhǔn)控制端，CAL=1時(shí)啟動(dòng)自校準(zhǔn)；CS：片選端.當(dāng)CS=0時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)； DRDY：數(shù)據(jù)輸出準(zhǔn)備信號(hào)，為低時(shí)表示數(shù)據(jù)存放器內(nèi)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，該腳變?yōu)楦唠娖剑籗CL：串行時(shí)鐘輸入/輸出端；SDATA：.串行數(shù)據(jù)輸出端；圖4-6 AD77034.4.2 AD7703的工作方式AD7703的串行數(shù)據(jù)接口的兩種方式由MODE信號(hào)選擇。當(dāng)MODE=1時(shí)，工作在片內(nèi)時(shí)鐘同步SCC方式，數(shù)據(jù)由片內(nèi)產(chǎn)生的串行時(shí)鐘SCLK同步控制輸出。當(dāng)MO

22、DE=0時(shí)，AD7703工作在外部時(shí)鐘同步SEC的方式，這是一種比擬常用的方式 ，本次設(shè)計(jì)就采用該方式，采用SEC方式讀數(shù)據(jù)時(shí)，要求51單片機(jī)的能為AD7703提供外部同步時(shí)鐘以便讀出數(shù)據(jù)。圖4-7是AD7703工作在SEC方式下的一種典型應(yīng)用連接圖。 圖4-74.5 MC-51單片機(jī) MC-51單片機(jī)是把那些作為控制應(yīng)用所必需的根本內(nèi)容集成在一個(gè)尺寸有限的集成電路芯片上。按功能可分為：微處理器CPU、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器RAM、程序儲(chǔ)存器ROM、并行口P0、P1、P2、P3、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能存放器SFR【5】。圖4-8所示為80C51雙列之插封裝方式的引腳。其40個(gè)引腳按功能

23、，可分為3類：1電源及時(shí)鐘引腳：Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2 Vcc：接+5V；Vss：接地； XTAL1：接外部晶體的引腳，是內(nèi)部反相放大器的輸入端，其構(gòu)成了內(nèi)部振蕩器，外接晶體振蕩器時(shí)，該引腳接地；XTAL2：接外部晶體的另一端，在該引腳內(nèi)部接至內(nèi)部反相放大器的輸出端。假設(shè)采用外部時(shí)鐘振蕩器，該引腳接收時(shí)鐘振蕩器信號(hào)。2控制引腳：、ALE、RSET即RSTRST/VPD：RST為復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效；VPD為本引腳第二功能，即備用電源的輸入端；：ALE為地址鎖存允許信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE輸出信號(hào)的負(fù)跳沿用作低8位地址的鎖存信號(hào)。為本引腳第二功能，在對(duì)片內(nèi)EP

24、ROM型單片機(jī)編程寫入，該引腳為編程脈沖輸入端；：程序存儲(chǔ)器允許輸出控制端。在單片機(jī)訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，該引腳輸出的負(fù)脈沖作為讀外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)；：為內(nèi)外程序存儲(chǔ)器選擇端，當(dāng)端為高電平時(shí)，單片機(jī)訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，但在PC超過0FFFH時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)為低電平時(shí)，那么只訪問外部程序存儲(chǔ)器。3I/O口引腳：P0、P1、P2、P3，為8為I/O口引腳的外部引腳P0口：雙向8為三態(tài)I/O口，此口為地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口；P1口：8位準(zhǔn)雙向I/O口；P2口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，與地址總線高8位復(fù)用；P3口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，雙功能復(fù)用口。圖4-8 80C51

25、雙列之插封裝方式的引腳4.6 LED顯示器與鍵盤接口LED是發(fā)光二極管的縮寫。LED顯示器由發(fā)光二極管構(gòu)成的，所以在顯示器前面冠以“LED。LED顯示器有共陰極和共陽極之分。常用LED顯示器有7段發(fā)光二極管，再加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)共計(jì)8段。各段與各字節(jié)對(duì)應(yīng)關(guān)系如下代碼位D7D6D5D4D3D2D1D0顯示段dpgfedcba鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳遞命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。圖4-9是LED顯示器與鍵盤接口與單片機(jī)的連接圖5圖4-94.7 DAC1220DAC1220是一種非常適合于過程控制場合的低功耗D/A轉(zhuǎn)換器。它采用-轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了位線性轉(zhuǎn)換，通過內(nèi)置的滿

26、度、零點(diǎn)和線性修正存放器，可以自動(dòng)進(jìn)行校準(zhǔn)功能，保證了轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。 圖4-10為其引腳排列圖，其引腳功能如下：DVDD:數(shù)字電源，通常為； XOUT:系統(tǒng)時(shí)鐘輸出；XIN:系統(tǒng)時(shí)鐘輸入；DGND數(shù)字地；AVDD:模擬電源，通常為；DNC:空；C1、C2：濾波電容；VOUT:直流電壓輸出；VREF:基準(zhǔn)電壓輸入；AGND：模擬地；CS：片選信號(hào)輸入；SDIO：串行數(shù)據(jù)輸入輸出；SCLK：串行數(shù)據(jù)輸入輸出的時(shí)鐘輸入。圖4-10 DAC1220引腳排列圖DAC1220的內(nèi)部重要存放器：指令存放器、命令存放器 1指令存放器INSR每次串行通信都必須以向指令存放器中寫指令開始。它決定了要訪問DAC12

27、20中哪個(gè)存放器，訪問多少字節(jié)，是寫還是讀。MB1MB00A3A2A1A0:用于設(shè)定下一步對(duì)存放器進(jìn)行讀操作還是寫操作； MB1、MB0：用于設(shè)定下一步將要進(jìn)行讀寫操作的字節(jié)長度； A3、A2、A1、A0：用于設(shè)定下一步將要訪問的存放器。2命令存放器CMR命令存放器由2個(gè)字節(jié)組成，決定了DAC1220的工作方式和狀態(tài)第1個(gè)字節(jié)ADPTCALPINSH010CRSTX第0個(gè)字節(jié)RESCLRDFDISFBDMSBMD1MD0RES:設(shè)定轉(zhuǎn)換位數(shù)，=0,16位；=1,20位；CLR：清數(shù)據(jù)輸入存放器，使輸出電壓為0；DF：設(shè)定輸出電壓形式，=0，雙極性；=1，單極性；DISF：設(shè)定內(nèi)置濾波器使能；B

28、D:設(shè)定存放器字節(jié)地址的遞增遞減方向。=0，遞減；=1，遞增；MSB：用于控制字節(jié)在串行傳輸時(shí)，是先送高位還是低位；MD1、MD2：設(shè)定DAC1220工作方式ADPT：自適應(yīng)濾波器使能位；SH：采用/保持器接入使能位；CRST:校準(zhǔn)存放器復(fù)位使能位。DAC1220與MC51單片機(jī)的接口電路如以下圖4-11圖4-114.8 PID調(diào)節(jié)器 在控制系統(tǒng)中，為了改變反應(yīng)控制系統(tǒng)的性能，人們經(jīng)常選擇各種各樣的校正裝置，其中最簡單最通用為比例-積分-微分校正裝置，簡稱PID校正裝置或PID控制器。一般在合理地優(yōu)化KP比例增益，KI積分增益和KD微分增益的參數(shù)后，可以使系統(tǒng)具有提高穩(wěn)定性、快速響應(yīng)、無殘差等

29、理想的性能9。 圖4-12所示為P、PI、PD三種運(yùn)算電路串聯(lián)構(gòu)成的PID調(diào)節(jié)電路10。假設(shè)各電路的輸入阻抗很大，輸出阻抗足夠小，那么各電路串聯(lián)后，總的傳遞函數(shù)為各傳遞函數(shù)的乘積。圖4-12 PID調(diào)節(jié)電路PID運(yùn)算電路總的傳遞函數(shù)為：通常要求，可忽略，得 式中 ； ； 、 、稱為調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)整定參數(shù)，可在一定范圍內(nèi)調(diào)整4.9 功率放大電路在實(shí)用電路中，往往要求放大電路的輸出級(jí)輸出一定的功率，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。能夠向負(fù)載提供足夠信號(hào)功率的放大電路稱為功率放大電路，簡稱功放。功放既不是單純追求輸出高電壓，也不是單純追求輸出大電流，而是在追求電源電壓確定的情況下，輸出盡可能大的功率。本文采用LM386型

30、號(hào)的集成功率放大電路，圖4-13所示為LM386電壓增益最大法3，C3使引腳1和8在交流通路中短路，使Au200；C4為旁路電容；C5為去耦電容，濾掉電源的高頻交流成分。 圖4-13 LM386電壓增益最大法靜態(tài)時(shí)輸出電容上電壓為Vcc/2，LM386的最大不是真輸出電壓峰峰值約為電源電壓Vcc。設(shè)負(fù)載電阻為RL，最大輸出功率為：第五章 軟件設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)，王東生，.:163-1882.史習(xí)敏，黎永明編著.精密機(jī)械設(shè)計(jì).上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，19873.童詩白，:453-456,480-500：506-528，彭喜元，姜守達(dá)，：9-11,153-190，侯麗華,：34-175，戴汝平編著.單

31、片機(jī)微機(jī)原理與應(yīng)用M，北方交通大學(xué)出版社，2003.8 8.賈伯年，俞樸編著. 傳感器技術(shù). 南京: 東南大學(xué)出版社, 19929. 董景新，趙長德，熊沈蜀.郭美鳳編著.控制工程根底M，2003.2:229-266：142-145，周兆英編著. 超精密定位工作臺(tái)J. 微細(xì)加工技術(shù), 2002.6 (2) : 41-4712. HYPERLINK :/f.wanfangdata /download/Periodical_gxjmgc202107017.aspx o 全文 侯國章，肖增文，賴一楠編著.測試與傳感器技術(shù).:49-6613.于靖軍，畢樹生，宗光華編著.柔性平行四桿機(jī)構(gòu)的靜剛度分析. 機(jī)

32、械科學(xué)與技術(shù)，2003.22 (2) : 241-244.14. HYPERLINK :/f.wanfangdata /download/Periodical_jxsjyyj200706013.aspx o 全文 劉豹，唐萬生.現(xiàn)代控制理論M，1989.4：89-10715.齊芊楓，鄭椰琴，吳立偉.方潔.董俊清編著. 柔性結(jié)構(gòu)技術(shù)在精密工件臺(tái)中的應(yīng)用J.電子工業(yè)專用設(shè)備, 2021, (09)16.王興松編著. 精密機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)M17.杜志江,董為,孫立寧編著.柔性鉸鏈及其在精密并聯(lián)機(jī)器人中的應(yīng)用J.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006.9 18.張遠(yuǎn)深,劉曉光,張園成,趙慶龍,於又玲編著. 柔性

33、鉸鏈微位移放大機(jī)構(gòu)的研究19. 李玉和，郭陽寬編著.現(xiàn)代精密儀器設(shè)計(jì)M北京：清華大學(xué)出版社，2021.10：187-23020. HYPERLINK :/f.wanfangdata /download/Periodical_zgjxgc202118010.aspx o 全文 秦宇,馮之敬編著. HYPERLINK :/d.wanfangdata /Periodical_zgjxgc202118010.aspx 直梁型柔性鉸鏈制造誤差對(duì)剛度性能影響的建模與分析.期刊論文 -中國機(jī)械工程2021(18) 21.Chad R Snyder,Frederick I Mopsik.A Precision

34、 Capacitance Cell for Measurement of Thin Film Out-of-Plane ExpansionPart III:Conducting and Semiconducting MaterialsJ.IEEE TRANSACTIONSONINSTRUMENTATION AND MEASUREMENT,2001：5-50 I, CHANG J C. A Linear scheme for the displacement analysis of micropositioning stages with flexure hinges J . Journal of Mechanical Design,1994 , 116(3) :770-776. 23.Xu W，King T Flexure Hinges for Piezoactuator Displacement Amplifiers:Flexibility Acc