动态特性可调的微定位平台的设计与建模

发布时间：2020-07-12 12:57

【摘要】：微纳定位技术是微纳制造、微观成像、纳米压印、硬盘高密度数据存储及光刻等诸多行业的核心共性技术。相关精密工程技术的飞速发展,对微纳定位系统的性能提出了更严苛的要求。由于设计误差、仿真分析中的不确定性和加工制造过程中不可避免的误差,精密定位机构常常无法达到理想的动态特性输出,无法适应复杂环境和不同工况条件下的定位工作。这些不足都限制了精密定位机构的应用范围,因此研究人员引入动态特性可调机构来避免各种误差的影响。微定位平台是精密定位机构的关键核心部件,进行微定位平台的动态特性可调研究将会进一步促进精密定位机构的发展。针对动态特性可调的微定位平台的设计与建模,本文做了一些探索性的工作。主要内容为:基于应力刚化原理设计了一种基于桥式机构的动态特性可调的微定位平台;根据柔度矩阵、梁变形理论以及振动理论等建立了该动态平台的放大比模型、输入刚度模型和动力学模型;采用有限元的方法对动态平台的动态特性进行了仿真分析研究。本文设计的动态平台运动部分主要包括动态平台调节机构与桥式放大机构。在实现微定位平台的动态特性可调的基础上,为保证尽可能大的输出位移和较好的导向性能,本文所设计的动态平台调节机构采用对称布置的柔性板簧导向结构。根据应力刚化原理,当板簧中存在应力时,板簧的刚度将会发生变化,因此改变板簧的内应力可以实现动态平台调节机构的动态特性调节。本文以此建立了动态平台调节机构应力刚化下的输入刚度模型、一阶模态模型,并采用有限元的方法对该模型进行了验证,证明了所建理论模型的有效性。为满足高精度的应用需求,本文设计的动态平台采用具有高刚度、高分辨率和高响应速度等优点的压电陶瓷作为驱动元件。但压电陶瓷驱动器的直接输出位移约为自身长度尺寸的千分之一,为了实现较大的输出位移,采用具有高放大比、结构紧凑、易于加工等优点的桥式机构作为位移放大机构,并基于柔度矩阵建立了桥式机构的放大比模型和输入刚度模型,采用有限元的方法对所建立的理论模型进行了验证。最后推导了动态平台调节机构作为外负载的整个动态平台的放大比模型、输入刚度模型、一阶模态模型,并采用有限元的方法对动态平台的理论模型进行了验证。理论结果与有限元仿真结果的一致性表明了理论模型的准确性,对以后实际动态可调平台的设计优化具有指导意义。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH703
【图文】：

定位工作台,韩国学,微动平台,二自由度

ｖ＝ｌ邋ｍ邋｜—＠逦＿Ｊ邋丨逡逑＾邋［Ｍｒ—１Ｌ＾］逡逑图１－３复合桥式并联微纳工作台逡逑犹他大学学者ＫａｍＫ．邋Ｌｅａｎ＃７］研发了一种能用于原子力显微镜（ＡＦＭ）的高逡逑速和低速二维微动平台如图１－４所示。高速微动平台采用串联结构，由压电陶瓷驱逡逑动，其运动范围为ｌ0Ｍｍｘｌ0（ｘｍ，平面内两个水平方向的固有频率为ｌｌ．ｌＫＨｚ和逡逑４．６８ＫＨＺ。低速微动平台也采用了串联结构设计，使用压电陶瓷驱动的一级杠杆作逡逑为放大机构，以实现大行程运动的需求，其运动范围为４１．７６ｐｍｘ３４．５８＾ｍ，平面逡逑内两个水平方向的固有频率为６２７Ｈｚ和４３９Ｈｚ。逡逑３逡逑

微定位,平台,文献

Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ邋Ｓｔａｇｅ逦Ｌｏｗ－Ｓｐｅｅｄ邋Ｓｔａｇｅ逡逑图１－４邋ＡＦＭ扫描的高速与低速二维微动平台逡逑哈工大孙立宁团队［２Ｓ＿２９］在国内较早的开展了压电驱动的微定位平台的设计与逡逑研究，图１－５为其设计的一维、二维微定位平台结构。图１－５邋（ａ）所示的一维微定逡逑位平台采用压电陶瓷驱动，桥式机构实现压电陶瓷的横向输出位移放大并传递到逡逑纵向运动输出端，该桥式平台行程１６２．５ｐｍ，固有频率３６６Ｈｚ。图１－５邋（ｂ）所示的逡逑二维微定位平台，同样由压电陶瓷驱动，串联四杆机构作为解耦结构，实现平面逡逑运动方向上的解耦，平台运动范围为３0ｎｍｘ３０｜ｉｍ，平面两阶固有频率为４９５．７Ｈｚ逡逑和邋５２１．８Ｈｚ。逡逑—＝＝逦逦逦＝—？ｒ逦Ｉｋ邋电陶邋Ｓ与－下■板逡逑１逦—－．．．．．—．．．」逦位移传感器１逦＾基体逡逑（ａ）邋—维微定位平台逦（ｂ）二维微定位平台逡逑图１－５文献［２８］和［２９］设计的微定位平台逡逑此外清华大学殷纯永等研发了具有纳米级定位精度，用于超精测量的微定逡逑位平台；天津大学张大卫教授［３Ｉ］团队研制了能实现平面纳米级定位的一体化运动逡逑平台；上海交通大学朱利民等［３２］研发了一种二维并联高带宽微运动定位平台；澳逡逑门大学的Ｙａｎｇｍｉｎ邋Ｌｉ等％设计分析了一种并联微位移定位平台，并结合粒子群算逡逑法进行了结构优化。逡逑除高校和科研院所外

微定位,微动平台,哈工大,压电驱动

图１－４邋ＡＦＭ扫描的高速与低速二维微动平台逡逑哈工大孙立宁团队［２Ｓ＿２９］在国内较早的开展了压电驱动的微定位平台的设计与逡逑研究，图１－５为其设计的一维、二维微定位平台结构。图１－５邋（ａ）所示的一维微定逡逑位平台采用压电陶瓷驱动，桥式机构实现压电陶瓷的横向输出位移放大并传递到逡逑纵向运动输出端，该桥式平台行程１６２．５ｐｍ，固有频率３６６Ｈｚ。图１－５邋（ｂ）所示的逡逑二维微定位平台，同样由压电陶瓷驱动，串联四杆机构作为解耦结构，实现平面逡逑运动方向上的解耦，平台运动范围为３0ｎｍｘ３０｜ｉｍ，平面两阶固有频率为４９５．７Ｈｚ逡逑和邋５２１．８Ｈｚ。逡逑—＝＝逦逦逦＝—？ｒ逦Ｉｋ邋电陶邋Ｓ与－下■板逡逑１逦—－．．．．．—．．．」逦位移传感器１逦＾基体逡逑（ａ）邋—维微定位平台逦（ｂ）二维微定位平台逡逑图１－５文献［２８］和［２９］设计的微定位平台逡逑此外清华大学殷纯永等研发了具有纳米级定位精度，用于超精测量的微定逡逑位平台；天津大学张大卫教授［３Ｉ］团队研制了能实现平面纳米级定位的一体化运动逡逑平台；上海交通大学朱利民等［３２］研发了一种二维并联高带宽微运动定位平台；澳逡逑门大学的Ｙａｎｇｍｉｎ邋Ｌｉ等％设计分析了一种并联微位移定位平台，并结合粒子群算逡逑法进行了结构优化。逡逑除高校和科研院所外

【参考文献】