基于双压电陶瓷驱动原理的跨尺度定位平台研究
发布时间：2021-03-16 12:53
随着纳米科学技术的快速发展,科研工作者的研究方向越来越趋向微小领域,例如纳米材料等研究方向。为研究微观世界的材料属性,测量其机械和电学性能,微纳操作系统的开发越来越受到学术界的重视,且已取得显著的研究成果,诸如:纳米操作机、纳米材料测试仪以及原子力显微镜等。此类微纳操作系统常需借助扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope,SEM）的视觉伺服反馈功能对纳米材料进行操作与表征,这就对微纳操作系统的体积和定位精度提出了新的挑战。本文在此背景下提出了一种新型跨尺度精密定位平台的设计方案,并对其中的关键技术进行了研究。本课题基于国内外跨尺度粘滑驱动精密定位装置设计的微纳操作系统的研究现状和粘滑驱动纳米定位平台的发展趋势,针对应用此平台开发的微纳操作系统存在的问题,提出了双压电陶瓷驱动的跨尺度纳米定位方法。结合摩擦学理论知识建立了定位平台的数学方程和物理模型,最终研制出一种新型跨尺度精密定位平台。本文从双压电陶瓷驱动系统的运动原理、动力学模型、结构和驱动电源设计以及验证实验这四个方面进行了深入研究。（1）双压电陶瓷驱动原理的研究。通过对粘滑驱动原理的描述,分析粘滑驱...
【文章来源】：苏州大学江苏省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?Ｐｏｈｌ等人研制的粘滑驱动定位装置??
基于双压电陶瓷驱动原理的跨尺度定位平台研宄?第一章绪论??＿??——???＾??Ｅ?＇?Ｔ?３??５?ｒ?７?￣１?４??Ｅ?６?３??图１．１?Ｐｏｈｌ等人研制的粘滑驱动定位装置??１９９０年，瑞士日内瓦大学的Ｒｅｎｎｅｒ等一批学者在Ｐｏｈｌ开发的水平定位装置??基础上，设计了一款可在竖直方向运动的粘滑驱动定位平台ｌ２Ｑｌ。此定位系统的结??构主要由三个关键部件组成，分别为压电四分管，导向支撑件，载物台。压电四??分管在电压信号的作用下输出驱动力驱动导轨产生位移，然后再通过导轨与载物??台之间的动静摩擦力产生的粘滑效应使定位平台实现粘滑运动。该定位装置在竖??直方向和水平方向均可运动，但由于尺寸较大无法应用于ＳＥＭ中。??为了扩展定位装置的自由度，１９９５年，瑞士联邦理工大学机器人研究所的??Ｗｏｌｆｇａｎｇ?Ｚｅｓｃｈ团队开发了一种基于粘滑驱动原理的旋转驱动装置％，如图１．２??所示。由图可知，该驱动装置的组成部件主要有基体、转子、红宝石以及压电元??件。系统结构简单，整体尺寸为ｌｌｍｍ＞＜８ｍｍ＞＜８ｍｍ，分辨率可达Ｏ．ｌｐｒａｄ。压电??元件在锯齿波电压信号的作用下，发生剪切变形。当驱动电压逐渐增大时，转子??缓慢转动，当电压快速减小时，转子与基体保持相对静止，这样转子在锯齿波电??压信号的连续作用下就实现了快速转动。??柔赚Ｉ?：?礙??隱压、？?ｎ?ｕ??ｌｉｙ?＾?？?＊?ｕ?ＺＺ７??图１．２?Ｗｏｌｆｇａｎｇ?Ｚｅｓｃｈ团队设计的旋转驱动装置??除了高校研究所外，国外也有一些科技公司对粘滑驱动圯位技术展开了研究。??并基于此定位技术研发出了多种型号的记位平台，例如
第一章绪论?基于双压电陶瓷驱动原理的跨尺度定位平台研究??如图１．３所示。该定位装置采用压电叠堆作为驱动元件，以柔性铰链和交叉滚子??导轨分别作为传动机构和导向支撑机构，整体尺寸为２２ｘ１７ｘ８?＿３。受导轨运动??范围的限制，其最大运动行程仅为１６ｍｍ，最小运动分辨率可达ｌｎｍ，最小运动??步长为５０ｎｍ，水平方向最大运动速度可达１７ｍｍ／ｓ，最大负载能力为２０Ｎ且最??大驱动力为１．５Ｎ。??图１．３德国ＳｍａｒＡｃｔ公司开发的精密定位平台??德国的另外一家高科技公司Ａｔｔｏｃｕｂｅ也开发出了多款类似的粘滑驱动精密??定位平台，包括水平运动方向的ＡＮＰｘｌＯｌ型定位平台和竖直运动方向的??ＡＮＰｚｌＯｌ型定位平台１２３＿２４］，分别如图１．４?（ａ）和１．４?（ｂ）所示。ＡＮＰｘｌＯｌ型水??平定位平台尺寸为２４ｘ２４ｘ１１?ｍｍ３，运动行程范围为０－５ｍｍ，最大运动速度为??３ｍｍ／ｓ，扫描模式分辨率为ｌｎｍ，步进模式最小步长为ｌＯｎｍ，可承载重物最大??范围为ＩＮ。ＡＮＰｚｌＯｌ型竖直定位平台尺寸为２４ｘ２４ｘ２０?ｍｍ３，行程为５ｍｍ，最??大运动速度为３ｍｍ／ｓ，最小运动分辨率为ｌｎｍ，步进模式最小运动步长为１０ｎｍ，??可承载重物最大范围为２Ｎ。??－－?＾??—逃，，??（ａ）?ＡＮＰｘｌＯｌ?型?（ｂ）?ＡＮＰｚｌＯｌ?型??图１．４?Ａｔｔｏｃｕｂｅ公司开发的粘滑驱动定位平台??与国外相比，国内对粘滑驱动纳米定位技术的研宄起步较晚，粘滑驱动精密??定位平台的种类相比也较少。??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]圆弧柔性铰链的优化设计[J]. 李耀,吴洪涛,杨小龙,康升征,程世利. 光学精密工程. 2018(06)
[2]单自由度柔性微定位平台的设计与分析[J]. 贾晓辉,刘今越. 机械设计. 2017(10)
[3]“纳米制造的基础研究”重大研究计划研究进展[J]. 王国彪,邵金友,宋建丽,赖一楠. 机械工程学报. 2016(05)
[4]谐振锯齿波驱动型冲击直线压电马达[J]. 贺良国,赵韩,朱立红,刘永斌,王勇. 振动工程学报. 2015(03)
[5]基于二维SEM图像的纳米操作三维信息提取[J]. 李东洁,邹佳鸥,宋鉴,张丽. 哈尔滨理工大学学报. 2013(06)
[6]纳米操作研究现状及发展趋势[J]. 李东洁,王金玉,尤波,肖万哲. 哈尔滨理工大学学报. 2011(06)
[7]基于SEM的压电式微纳操纵系统[J]. 李勇滔,韩立,殷伯华,吴震,刘俊标. 压电与声光. 2010(05)
[8]基于AFM的机器人化纳米操作系统综述[J]. 田孝军,王越超,董再励,席宁. 机械工程学报. 2009(06)
[9]纳米操作系统研究现状及关键技术[J]. 王家畴,荣伟彬,孙立宁. 压电与声光. 2007(03)
[10]压电薄膜型精密运动平台研究[J]. 华顺明,张宏壮,程光明,范尊强,刘建芳. 光学精密工程. 2006(04)
博士论文
[1]压电陶瓷叠堆执行器及其系统的迟滞现象模拟、线性化及控制方法的研究[D]. 朱炜.重庆大学 2012
[2]新型压电尺蠖精密驱动器柔性机构分析与实验研究[D]. 张兆成.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]基于惯性粘滑驱动的跨尺度精密运动平台研究[D]. 李宗伟.苏州大学 2016
[2]基于粘滑驱动原理的跨尺度纳米级定位平台研究[D]. 潘鹏.苏州大学 2016
[3]新型惯性压电叠堆驱动机构的研究[D]. 温建明.吉林大学 2006
本文编号：3086070
【文章来源】：苏州大学江苏省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?Ｐｏｈｌ等人研制的粘滑驱动定位装置??
基于双压电陶瓷驱动原理的跨尺度定位平台研宄?第一章绪论??＿??——???＾??Ｅ?＇?Ｔ?３??５?ｒ?７?￣１?４??Ｅ?６?３??图１．１?Ｐｏｈｌ等人研制的粘滑驱动定位装置??１９９０年，瑞士日内瓦大学的Ｒｅｎｎｅｒ等一批学者在Ｐｏｈｌ开发的水平定位装置??基础上，设计了一款可在竖直方向运动的粘滑驱动定位平台ｌ２Ｑｌ。此定位系统的结??构主要由三个关键部件组成，分别为压电四分管，导向支撑件，载物台。压电四??分管在电压信号的作用下输出驱动力驱动导轨产生位移，然后再通过导轨与载物??台之间的动静摩擦力产生的粘滑效应使定位平台实现粘滑运动。该定位装置在竖??直方向和水平方向均可运动，但由于尺寸较大无法应用于ＳＥＭ中。??为了扩展定位装置的自由度，１９９５年，瑞士联邦理工大学机器人研究所的??Ｗｏｌｆｇａｎｇ?Ｚｅｓｃｈ团队开发了一种基于粘滑驱动原理的旋转驱动装置％，如图１．２??所示。由图可知，该驱动装置的组成部件主要有基体、转子、红宝石以及压电元??件。系统结构简单，整体尺寸为ｌｌｍｍ＞＜８ｍｍ＞＜８ｍｍ，分辨率可达Ｏ．ｌｐｒａｄ。压电??元件在锯齿波电压信号的作用下，发生剪切变形。当驱动电压逐渐增大时，转子??缓慢转动，当电压快速减小时，转子与基体保持相对静止，这样转子在锯齿波电??压信号的连续作用下就实现了快速转动。??柔赚Ｉ?：?礙??隱压、？?ｎ?ｕ??ｌｉｙ?＾?？?＊?ｕ?ＺＺ７??图１．２?Ｗｏｌｆｇａｎｇ?Ｚｅｓｃｈ团队设计的旋转驱动装置??除了高校研究所外，国外也有一些科技公司对粘滑驱动圯位技术展开了研究。??并基于此定位技术研发出了多种型号的记位平台，例如
第一章绪论?基于双压电陶瓷驱动原理的跨尺度定位平台研究??如图１．３所示。该定位装置采用压电叠堆作为驱动元件，以柔性铰链和交叉滚子??导轨分别作为传动机构和导向支撑机构，整体尺寸为２２ｘ１７ｘ８?＿３。受导轨运动??范围的限制，其最大运动行程仅为１６ｍｍ，最小运动分辨率可达ｌｎｍ，最小运动??步长为５０ｎｍ，水平方向最大运动速度可达１７ｍｍ／ｓ，最大负载能力为２０Ｎ且最??大驱动力为１．５Ｎ。??图１．３德国ＳｍａｒＡｃｔ公司开发的精密定位平台??德国的另外一家高科技公司Ａｔｔｏｃｕｂｅ也开发出了多款类似的粘滑驱动精密??定位平台，包括水平运动方向的ＡＮＰｘｌＯｌ型定位平台和竖直运动方向的??ＡＮＰｚｌＯｌ型定位平台１２３＿２４］，分别如图１．４?（ａ）和１．４?（ｂ）所示。ＡＮＰｘｌＯｌ型水??平定位平台尺寸为２４ｘ２４ｘ１１?ｍｍ３，运动行程范围为０－５ｍｍ，最大运动速度为??３ｍｍ／ｓ，扫描模式分辨率为ｌｎｍ，步进模式最小步长为ｌＯｎｍ，可承载重物最大??范围为ＩＮ。ＡＮＰｚｌＯｌ型竖直定位平台尺寸为２４ｘ２４ｘ２０?ｍｍ３，行程为５ｍｍ，最??大运动速度为３ｍｍ／ｓ，最小运动分辨率为ｌｎｍ，步进模式最小运动步长为１０ｎｍ，??可承载重物最大范围为２Ｎ。??－－?＾??—逃，，??（ａ）?ＡＮＰｘｌＯｌ?型?（ｂ）?ＡＮＰｚｌＯｌ?型??图１．４?Ａｔｔｏｃｕｂｅ公司开发的粘滑驱动定位平台??与国外相比，国内对粘滑驱动纳米定位技术的研宄起步较晚，粘滑驱动精密??定位平台的种类相比也较少。??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]圆弧柔性铰链的优化设计[J]. 李耀,吴洪涛,杨小龙,康升征,程世利. 光学精密工程. 2018(06)
[2]单自由度柔性微定位平台的设计与分析[J]. 贾晓辉,刘今越. 机械设计. 2017(10)
[3]“纳米制造的基础研究”重大研究计划研究进展[J]. 王国彪,邵金友,宋建丽,赖一楠. 机械工程学报. 2016(05)
[4]谐振锯齿波驱动型冲击直线压电马达[J]. 贺良国,赵韩,朱立红,刘永斌,王勇. 振动工程学报. 2015(03)
[5]基于二维SEM图像的纳米操作三维信息提取[J]. 李东洁,邹佳鸥,宋鉴,张丽. 哈尔滨理工大学学报. 2013(06)
[6]纳米操作研究现状及发展趋势[J]. 李东洁,王金玉,尤波,肖万哲. 哈尔滨理工大学学报. 2011(06)
[7]基于SEM的压电式微纳操纵系统[J]. 李勇滔,韩立,殷伯华,吴震,刘俊标. 压电与声光. 2010(05)
[8]基于AFM的机器人化纳米操作系统综述[J]. 田孝军,王越超,董再励,席宁. 机械工程学报. 2009(06)
[9]纳米操作系统研究现状及关键技术[J]. 王家畴,荣伟彬,孙立宁. 压电与声光. 2007(03)
[10]压电薄膜型精密运动平台研究[J]. 华顺明,张宏壮,程光明,范尊强,刘建芳. 光学精密工程. 2006(04)
博士论文
[1]压电陶瓷叠堆执行器及其系统的迟滞现象模拟、线性化及控制方法的研究[D]. 朱炜.重庆大学 2012
[2]新型压电尺蠖精密驱动器柔性机构分析与实验研究[D]. 张兆成.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]基于惯性粘滑驱动的跨尺度精密运动平台研究[D]. 李宗伟.苏州大学 2016
[2]基于粘滑驱动原理的跨尺度纳米级定位平台研究[D]. 潘鹏.苏州大学 2016
[3]新型惯性压电叠堆驱动机构的研究[D]. 温建明.吉林大学 2006
本文编号：3086070
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