本书面向光学精密工程，以柔性铰链的结构参数作为具体研究对象，探讨了基于柔性铰链的柔性精密机构的结构优化设计方法，研究了压电精密致动器的设计方法与技术应用，设计了多自由度串联和并联精密定位平台。全书内容涉及柔性机构设计方法学、压电智能结构静力学、并联机构运动学、动力学等方法理论，主要包括绪论、压电陶瓷材料概述、柔性压电精密致动器基础理论、柔性铰链参数化设计方法、柔性正交式压电精密致动器、柔性杠杆式压电精密致动器、柔性菱形压电精密致动器、柔性精密运动平台、压电致动的3-DOF串联精密定位平台、压电致动的3-DOF并联精密定位平台和压电精密致动技术应用展望等主要内容。
本书可作为压电材料、精密机械系统及并联机器人等方向的研究生、博士生、教科研人员及工程技术人员的参考书。

第1章　绪论1
1.1　柔性精密机构概述1
1.1.1　柔性精密机构应用领域1
1.1.2　柔性精密机构主要性能指标3
1.1.3　柔性精密机构技术瓶颈5
1.2　柔性精密机构研究进展与应用现状7
1.2.1　研究进展7
1.2.2　应用现状9
1.3　本书主要内容11
参考文献12
第2章　压电陶瓷材料概述15
2.1　压电陶瓷材料的应用15
2.1.1　压电式加速度传感器15
2.1.2　超声波传感器16
2.1.3　压电灵巧手16
2.2　压电陶瓷的基本性能参数17
2.2.1　介电常数17
2.2.2　压电常数18
2.2.3　弹性常数19
2.2.4　机械品质因数20
2.2.5　机电耦合系数20
2.3　压电方程及压电振子的振动模式21
2.3.1　压电方程21
2.3.2　压电振子的振动模式22
2.4　压电叠堆的结构与性能22
2.4.1　压电叠堆的结构22
2.4.2　压电叠堆的基本性能23
2.5　压电叠堆作动系统设计27
2.5.1　压电叠堆作动系统的动态特性27
2.5.2　压电叠堆作动系统的柔性设计28
本章小结30
参考文献30
第3章　柔性压电精密致动器基础理论31
3.1　压电致动器的概念、特点与分类31
3.2　压电致动器的发展、研究现状与应用33
3.2.1　压电致动器的发展33
3.2.2　压电致动器的研究现状34
3.2.3　压电致动器的应用35
3.3　压电致动器的振动状态38
3.3.1　共振38
3.3.2　非共振38
3.3.3　共振与非共振的比较39
3.4　多模式作动机理39
3.4.1　作动方式39
3.4.2　工作模式41
本章小结41
参考文献41
第4章　柔性铰链参数化设计方法47
4.1　柔性铰链参数化设计48
4.1.1　结构参数ε48
4.1.2　柔度参数λ50
4.2　深切口椭圆型柔性铰链52
4.2.1　转动刚度模型52
4.2.2　结构参数灵敏度分析53
4.2.3　刚度/柔度模型55
4.3　柔性铰链模糊优化设计57
4.3.1　模糊优化设计方法57
4.3.2　算例分析61
4.4　柔性机构参数化设计63
4.4.1　柔性机构模型63
4.4.2　柔性机构放大率计算63
4.5　基于柔性铰链参数的柔性机构优化设计65
4.5.1　柔性机构柔性铰链优化设计65
4.5.2　有限元仿真验证66
4.5.3　实验验证67
本章小结69
参考文献70
第5章　柔性正交式压电精密致动器71
5.1　柔性正交式压电致动器结构设计71
5.1.1　双足定子机构设计71
5.1.2　夹持预紧机构设计73
5.2　工作原理74
5.3　预紧机构的小型化优化设计76
5.4　实验研究77
5.4.1　实验平台77
5.4.2　双驱动足定子机构实验78
5.4.3　步进作动实验79
5.4.4　连续作动实验81
本章小结82
参考文献82
第6章　柔性杠杆式压电精密致动器83
6.1　柔性杠杆式压电致动器结构设计83
6.1.1　定子机构设计83
6.1.2　夹持预紧机构设计84
6.2　工作原理85
6.3　基于柔度特性的致动器结构优化设计86
6.3.1　杠杆式致动器位移放大模型86
6.3.2　基于柔性铰链的结构优化设计89
6.3.3　优化设计验证89
6.4　实验研究93
6.4.1　双驱动足布局对比实验93
6.4.2　步进作动实验95
6.4.3　连续作动实验95
本章小结96
参考文献96
第7章　柔性菱形压电精密致动器98
7.1　柔性菱形压电致动器结构设计98
7.1.1　定子机构设计98
7.1.2　夹持预紧机构设计99
7.2　工作原理99
7.2.1　作动原理99
7.2.2　作动模型100
7.3　基于多目标的致动器结构参数优化设计101
7.3.1　优化模型101
7.3.2　有限元优化设计105
7.3.3　优化设计验证106
7.4　实验研究106
7.4.1　步进作动实验106
7.4.2　连续作动实验107
本章小结108
参考文献108
第8章　柔性精密运动平台109
8.1　精密运动平台的发展与应用109
8.2　基于压电致动的精密运动平台研究现状111
8.2.1 串并联精密运动平台111
8.2.2　基于压电致动的精密定位平台112
8.2.3　大行程精密运动定位平台113
8.3　一维精密运动平台114
8.3.1　一维直线运动平台114
8.3.2　一维旋转运动平台115
本章小结118
参考文献118
第9章　压电致动的3-DOF串联精密定位平台123
9.1　串联平台拓扑结构设计123
9.1.1　总体设计123
9.1.2　直线移动平台结构设计124
9.1.3　旋转运动平台结构设计125
9.2　串联平台运动特性127
9.2.1　运动学分析127
9.2.2　动力学分析129
9.3　实验研究131
9.3.1　实验平台系统131
9.3.2　实验测量方法132
9.3.3　步进作动实验133
9.3.4　连续作动实验136
9.3.5　实验结果讨论139
本章小结140
参考文献141
第10章　压电致动的3-DOF并联精密定位平台142
10.1　并联平台拓扑结构设计142
10.1.1　总体设计142
10.1.2　并联支路设计143
10.1.3　大行程圆柱型柔性铰链设计与分析144
10.1.4　3-DOF并联精密定位平台刚度模型148
10.2　并联平台运动特性152
10.2.1　运动学分析152
10.2.2　动力学分析161
10.3　实验研究164
10.3.1　3-DOF并联平台步进作动实验164
10.3.2　3-DOF并联平台连续作动实验170
本章小结174
参考文献175
第11章　压电精密致动技术应用展望177
11.1　基于压电致动的微振动抑制智能结构177
11.1.1　压电致动技术在微振动抑制中的应用基础177

随着微电子、精密制造、生物工程、航空航天工程
等高新技术的飞速发展，精密机械系统的应用越来越广
泛。随着微纳米技术的不断发展与应用，许多应用领域
对微纳米级精密机构及精密系统提出了更多的性能指标
，其中高分辨率、大行程区间及多自由度成为关键性能
指标。在众多的功能材料中，压电陶瓷材料具有体积小
、重量轻、精度和分辨率高、频响高、输出力大等优点
，可以很好地作为微小位移的驱动元件，且压电陶瓷材
料的作动原理决定了压电致动器理论上可以实现无限小
的高分辨率和无限大的工作行程，因而基于压电陶瓷材
料的精密致动机构已广泛应用于微纳米加工、MEMS
（micro-electro-mechanical system，微机电系统）
微装配、光纤精密校准和生物微操作等领域。
在光学精密工程领域，面向光波导封装领域的多自
由度精密定位平台目前基本被国外企业垄断。为了实现
微纳米级精密定位平台能够同时满足大行程和高精度要
求，本书提出将压电精密致动器作为驱动元件，利用压
电精密致动器直接驱动多自由度精密定位平台，简化系
统控制方式。连续作动工作模式可实现大行程作动，而
步进作动工作模式可实现高分辨率的精确致动。一套压
电精密致动器即可在不同工作模式下实现工作台的宏动
大行程与微动高精度两个关键性能指标。
本书面向压电致动的柔性精密机构，对柔性铰链机
构、压电精密致动器、多自由度串联精密定位平台和多
自由度并联精密定位平台等关键基础科学问题展开了理
论和实验研究。本书获得的一些结论为提高光波导器件
封装设备的精度提供了有效的解决方案，并为光学精密
工程应用领域的相关核心技术发展提供了技术支撑，对
于压电致动技术的发展和智能化应用也有重要的理论意
义和工程应用价值。
本书不图在引用前人的理论和方法方面多而全，而
力求内容能够新颖和切合实用。本书的内容多为作者近
年来发表的一些研究及学习心得，并吸收了国内外同行
的研究成果。在本书的研究和形成过程中，得到了黄卫
清教授的悉心指导和帮助，相关研究得到了国家自然科
学基金的资助，部分研究成果已发表于相关期刊及作者
的博士论文中；在压电精密致动器的设计和实验方面，
得到了陈西府教授、王寅教授的热心帮助；对于其他指
导过作者，并对本书的研究和形成有帮助的人员，作者
在此一并表示感谢。本书的出版得到了国家自然科学基
金项目（51805465，51375224）及盐城工学院学术专
著出版基金的资助。
由于时间仓促，加之作者本身水平有限，书中疏漏
在所难免，欢迎广大读者指正。