基于粘滑驱动原理的跨尺度纳米级定位平台研究

发布时间：2017-10-18 00:30

  本文关键词：基于粘滑驱动原理的跨尺度纳米级定位平台研究

  更多相关文章： 跨尺度 微驱动 粘滑驱动 纳米级定位

【摘要】：微纳技术的出现解决了许多工业和科学领域中存在的难题,给社会带来了巨大的经济价值。随着其不断的发展,微纳技术已经广泛应用于新材料制造、精密仪器设备制造、生物医学和航空航天等领域中。微驱动精密定位技术作为微纳技术的关键部分,其发展水平严重影响了微纳技术的发展。传统的微驱动精密定位技术中能够获得较高精度的位移,但是运动范围较小。当应用传统的微驱动精密定位技术获得较大行程时,其设备尺寸往往较大。然而,随着微纳技术的不断发展,被操作对象的尺寸越来越小,自动化要求越来越高,这需要借助电子扫描显微镜(SEM)等工具对被操作对象进行实时的观察,从而达到自动化精确操作。但由于电子扫描显微镜(SEM)真空腔体积较小,传统的微驱动精密定位技术因为尺寸问题无法应用于该设备中。因此具有纳米级精度,毫米级行程,尺寸较小的新型微驱动定位技术已经成为微纳技术中急需解决的问题。这对精密定位技术的运动方法和结构设计提出了新的挑战和要求。本文就是在这种背景下,提出了一种新型的跨尺度微驱动精密定位技术—粘滑驱动技术,并对其关键技术进行分析与研究。在江苏省杰出青年基金“基于SEM跨尺度纳米操作机驱动机理及自动化操作方法研究”(项目编号为BK2012005)资助下,本文针对现有的跨尺度精密定位技术方法及各自的优缺点,提出了基于粘滑驱动原理跨尺度纳米级定位平台设计方案。本文分别从粘滑驱动定位平台的设计,粘滑驱动定位平台的通用一体化动力学模型的建立和分析,以及样机的实验等方面进行深入研究。在定位平台设计方面,为了使定位平台能够同时满足纳米级精度,毫米级行程,尺寸较小的要求,本文采用了粘滑驱动原理来设计定位平台。定位平台采用压电陶瓷致动器作为驱动元件,采用平行板柔性铰链作为传动机构实现位移的传递。为了使设计的粘滑驱动定位平台能够分别实现水平和垂直方向上的运动,设计了摩擦力调节机构。此外,摩擦力调节机构可用于提高定位平台的运动性能。在粘滑驱动定位平台动力学模型的建立方面,分别对驱动元件建立电学模型和机械模型,并对驱动元件,柔性机构建立驱传动动力学模型,并结合LuGre摩擦模型,建立适用于定位平台在水平方向上运动和垂直方向上运动的通用一体化动力学模型。在对粘滑驱动定位平台进行动力学仿真方面,分别对水平运动的粘滑驱动定位平台和垂直运动的粘滑驱动定位平台进行动力学仿真,分析平台水平和垂直运动时,各个参数对定位平台的性能的影响。同时分析定位平台实现垂直方向的往返运动时所需要满足的条件。基于上述仿真结果,对粘滑驱动定位平台进行最终结构优化,并对传统的锯齿波进行改进,提升定位平台的性能。在粘滑驱动定位平台样机设计与实验系统方面,根据粘滑驱动定位平台的特点,搭建了合适的实验系统。根据上述仿真得到的最佳方案,加工出两种新型的定位平台样机。对定位平台在水平方向运动和垂直方向运动的性能进行测量,得到定位平台的速度与位移曲线以及分辨率等参数。其次,对所加工的定位平台性能影响因素进行测验,验证粘滑驱动系统一体化动力学模型正确性。同时,设计了合理的驱动信号用于提高粘滑驱动定位平台的性能。
【关键词】：跨尺度 微驱动 粘滑驱动 纳米级定位
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH703
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 课题来源11
• 1.2 课题背景及意义11-12
• 1.3 国内外研究现状12-19
• 1.3.1 跨尺度纳米定位技术研究现状12-15
• 1.3.2 基于粘滑驱动原理微纳定位平台研究现状15-19
• 1.4 研究现状分析19-20
• 1.5 研究内容及目标20-22
• 第二章 粘滑驱动定位平台结构设计22-36
• 2.1 引言22
• 2.2 致动器的选择22-24
• 2.3 柔性传动机构的选择24-25
• 2.4 单自由度定位平台结构设计25-28
• 2.4.1 上部预紧式粘滑驱动定位平台设计26-27
• 2.4.2 基于柔性铰链的可调预紧式粘滑驱动定位平台设计27-28
• 2.5 柔性铰链的计算与分析28-35
• 2.5.1 柔性铰链刚度的计算29-31
• 2.5.2 柔性铰链的尺寸选择31-35
• 2.6 本章小结35-36
• 第三章 粘滑驱动定位平台动力学分析36-49
• 3.1 引言36
• 3.2 摩擦模型研究36-41
• 3.2.1 静态摩擦模型36-38
• 3.2.2 动摩擦模型38-41
• 3.3 单自由度定位平台系统建模41-47
• 3.3.1 压电陶瓷致动器模型41-43
• 3.3.2 微动定位平台驱传动模型43-45
• 3.3.3 粘滑驱动系统的动力学模型45-46
• 3.3.4 基于粘滑驱动定位平台系统通用一体化模型46-47
• 3.4 本章小结47-49
• 第四章 粘滑驱动定位平台的仿真分析49-68
• 4.1 引言49
• 4.2 粘滑驱动定位平台的仿真分析49-52
• 4.3 水平定位平台影响因素分析52-59
• 4.3.1 负载影响52-53
• 4.3.2 惯性质量块与柔性铰链总质量影响53-54
• 4.3.3 驱动信号的影响54-59
• 4.4 垂直定位平台影响因素分析59-66
• 4.4.1 摩擦力的影响62-63
• 4.4.2 滑块质量的影响63-64
• 4.4.3 驱动信号影响64-66
• 4.5 粘滑驱动定位平台系统参数优化66-67
• 4.6 本章小结67-68
• 第五章 粘滑驱动定位平台的实验研究68-85
• 5.1 引言68
• 5.2 实验系统的搭建68-69
• 5.3 驱动信号设计69-70
• 5.4 单自由度定位平台性能初步测试70-83
• 5.4.1 水平运动定位平台的性能测试70-78
• 5.4.2 垂直运动定位平台的性能测试78-83
• 5.5 三自由度定位平台搭建83-84
• 5.6 本章小结84-85
• 第六章 总结与展望85-87
• 6.1 总结85-86
• 6.2 展望86-87
• 参考文献87-92
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文92-94
• 致谢94-95

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本文编号：1051924