二自由度解耦大行程微纳定位平台设计
发布时间：2021-07-17 14:39
随着科学技术的迅速发展,微纳定位技术在微电子工程、生物医学工程、精密和超精密加工以及精密光学工程等众多领域应用广泛,各领域对定位系统的性能需求越来越高。压电陶瓷驱动的定位平台由于具有定位精度高、响应速度快等优点获得了广泛应用,但存在压电陶瓷驱动器输出位移小,定位平台耦合运动、寄生运动影响定位精度等问题;另外,为使定位平台性能达到最优值,通常运用优化算法求解定位平台模型来获得,模型的准确性对优化结果可靠性至关重要,现有建模方法存在建模准确性差或是模型复杂、通用性差等问题。基于以上问题,本文设计了一种压电陶瓷驱动的新型二自由度解耦大行程微纳定位平台,并提出了一种改善定位平台柔顺机构建模精度的建模方法,然后进一步开展了定位平台有限元仿真、多目标优化以及实物实验等研究。本文具体研究内容如下:（1）设计了一种新型二自由度解耦大行程微纳定位平台。在对定位平台构型、柔顺位移放大机构以及柔顺导向机构比较与分析之后,设计了一种新型二自由度解耦大行程微纳定位平台,定位平台具有结构紧凑,输入和输出解耦以及定位行程大的特点。（2）建立了基于欧拉伯努利梁理论与柔度矩阵法的柔顺机构静力学模型和基于集中质量法理论的...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１微纳定位技术应用领域??１??
????析。对于柔顺机构的建模，一般将除铰链外的杆件假设为刚体，而一些学者将杆件的变形考??虑在内，提升了模型精度。Ｃｈｏｉ［５２］在对桥式放大机构建模时，考虑了机构中所有杆件的变形，??所建立的放大率模型与其他模型相比与有限元仿真结果更为接近。李扬民［４１］针对并联型ＸＹ??定位平台建立了伪刚体模型、集总模型和非线性模型，通过实验测试对比得到了考虑杆件变??形的最优非线性模型。朱志伟［３９］在使用柔度矩阵法对空间定位平台的柔顺机构建模时，考虑??部分刚性杆件变形所带来的影响，计算了相应的柔度。ＮｏｖｅａｍｉｌＭ考虑了刚性杆件的变形影响，??基于柔度矩阵法建立了微夹钳刚度、夹持力及夹钳中放大机构放大率的模型。Ｈｏｎｇｌｉａｎｇ?Ｓｈｉ［５４］??对应用于ＭＥＭＳ中的六足定位平台建立了输出刚度模型，通过将刚性杆件分块，额外的建立??了刚性杆件的柔度矩阵。??１．２．２柔顺微纳定位平台研究现状??Ｓｃｈｉｔｔｅｒ［５５】研制了用于ＡＦＭ高速扫描的三自由度定位平台，Ｘ、Ｙ、Ｚ向的定位行程为１３叫１??Ｘ１３ｐｎＸ４．３Ｈｍ，最低固有频率２２ｋＨｚ，如图１．２所示。??ＫｅｍｏｎＭ研制了一个三自由的串联型定位平台，用于高速定位应用场合，通过改进柔性??铰链与先前设计相比减小了寄生运动和离轴效应，Ｘ、Ｙ、Ｚ向的定位空间为９＾ｍ?Ｘ?９＾ｍ?Ｘ?１?ｐｍ，??各轴固有频率分别为２４．２ｋＨｚ、６．０ｋＨｚ和７０ｋＨｚ，如图１．３所示。??
?＾?＾＾??鳥??图１．４ＹＵｅｎＫＵａｎＹ〇ｎｇ研制的两自由度微纳定位平图１．５李扬民和徐青松研制的定位空间二自由度亚微??台?米精度定位平台??ＷｕＬｅ?Ｚ：ｈｕ［５１］将杠杆机构、Ｓｃｏｔｔ－Ｒｕｓｓｅｌｌ机构和Ｚ型铰链相结合，研制了位移放大率达１３，??Ｘ、Ｙ向固有频率分别为１８４．９Ｈｚ和２２４．７Ｈｚ的二自由度定位平台，如图１．６所示。Ｃｈｉｈ－Ｌｉａｎｇ??Ｃｈｕ［５￣研制了具有两种工作方式的大行程单自由度定位平台，在步进模式中运动平台运用粘??滑运动摩擦效应实现定位，步进增量调节范围７０ｎｍ至３５ｊｉｍ；在扫描模式中运动平台由压电??陶瓷驱动器直接带动半桥式放大机构运动，最终定位平台定位行程为１０ｍｍ和位移分辨率小??于ｌＯｒａｎ，如图１．７所示。??？?＊?１４?＾?ｍ?＊?－??ｐＴ－ｊ?ｐｔｒ?＼■??Ｊ?１?ｉｎｉ．?Ｉ麵?＇??．．．．．．．—一??图１．６ＷｕＬｅ?Ｚｈｕ研制的二自由度定位平台?图１．７?Ｃｈｉｈ－Ｌｉａｎｇ?Ｃｈｕ研制的单自由度定位平台??１．３主要研究内容??根据国内外研究现状分析可知，随着各学科的发展，微纳定位技术的应用领域愈加广泛，??对微纳定位系统也提出了越来越高的性能要求
【参考文献】：
期刊论文
[1]三种两自由度柔顺精密定位平台的性能对比与分析[J]. 王念峰,张志远,张宪民,梁晓合. 机械工程学报. 2018(13)
[2]面向生物医学应用的微操作机器人技术发展态势[J]. 李杨民,汤晖,徐青松,贠远. 机械工程学报. 2011(23)
[3]柔性铰链机构设计方法的研究进展[J]. 于靖军,裴旭,毕树生,宗光华,张宪民. 机械工程学报. 2010(13)
[4]浅析灵敏度分析的几种数学方法[J]. 韩林山,李向阳,严大考. 中国水运(下半月). 2008(04)
[5]面向芯片封装的高加速度运动系统的精确定位和操作[J]. 丁汉,朱利民,林忠钦. 自然科学进展. 2003(06)
[6]柔性铰链的设计计算[J]. 吴鹰飞,周兆英. 工程力学. 2002(06)
[7]单轴柔性铰链设计方法研究[J]. 李玉和,李庆祥,陈璐云,白立芬. 清华大学学报(自然科学版). 2002(02)
硕士论文
[1]超弹性柔性铰链的建模和优化设计[D]. 林俊贤.哈尔滨工业大学 2016
[2]光刻机掩模微动台耦合误差分析及控制器设计[D]. 张之万.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3288365
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１微纳定位技术应用领域??１??
????析。对于柔顺机构的建模，一般将除铰链外的杆件假设为刚体，而一些学者将杆件的变形考??虑在内，提升了模型精度。Ｃｈｏｉ［５２］在对桥式放大机构建模时，考虑了机构中所有杆件的变形，??所建立的放大率模型与其他模型相比与有限元仿真结果更为接近。李扬民［４１］针对并联型ＸＹ??定位平台建立了伪刚体模型、集总模型和非线性模型，通过实验测试对比得到了考虑杆件变??形的最优非线性模型。朱志伟［３９］在使用柔度矩阵法对空间定位平台的柔顺机构建模时，考虑??部分刚性杆件变形所带来的影响，计算了相应的柔度。ＮｏｖｅａｍｉｌＭ考虑了刚性杆件的变形影响，??基于柔度矩阵法建立了微夹钳刚度、夹持力及夹钳中放大机构放大率的模型。Ｈｏｎｇｌｉａｎｇ?Ｓｈｉ［５４］??对应用于ＭＥＭＳ中的六足定位平台建立了输出刚度模型，通过将刚性杆件分块，额外的建立??了刚性杆件的柔度矩阵。??１．２．２柔顺微纳定位平台研究现状??Ｓｃｈｉｔｔｅｒ［５５】研制了用于ＡＦＭ高速扫描的三自由度定位平台，Ｘ、Ｙ、Ｚ向的定位行程为１３叫１??Ｘ１３ｐｎＸ４．３Ｈｍ，最低固有频率２２ｋＨｚ，如图１．２所示。??ＫｅｍｏｎＭ研制了一个三自由的串联型定位平台，用于高速定位应用场合，通过改进柔性??铰链与先前设计相比减小了寄生运动和离轴效应，Ｘ、Ｙ、Ｚ向的定位空间为９＾ｍ?Ｘ?９＾ｍ?Ｘ?１?ｐｍ，??各轴固有频率分别为２４．２ｋＨｚ、６．０ｋＨｚ和７０ｋＨｚ，如图１．３所示。??
?＾?＾＾??鳥??图１．４ＹＵｅｎＫＵａｎＹ〇ｎｇ研制的两自由度微纳定位平图１．５李扬民和徐青松研制的定位空间二自由度亚微??台?米精度定位平台??ＷｕＬｅ?Ｚ：ｈｕ［５１］将杠杆机构、Ｓｃｏｔｔ－Ｒｕｓｓｅｌｌ机构和Ｚ型铰链相结合，研制了位移放大率达１３，??Ｘ、Ｙ向固有频率分别为１８４．９Ｈｚ和２２４．７Ｈｚ的二自由度定位平台，如图１．６所示。Ｃｈｉｈ－Ｌｉａｎｇ??Ｃｈｕ［５￣研制了具有两种工作方式的大行程单自由度定位平台，在步进模式中运动平台运用粘??滑运动摩擦效应实现定位，步进增量调节范围７０ｎｍ至３５ｊｉｍ；在扫描模式中运动平台由压电??陶瓷驱动器直接带动半桥式放大机构运动，最终定位平台定位行程为１０ｍｍ和位移分辨率小??于ｌＯｒａｎ，如图１．７所示。??？?＊?１４?＾?ｍ?＊?－??ｐＴ－ｊ?ｐｔｒ?＼■??Ｊ?１?ｉｎｉ．?Ｉ麵?＇??．．．．．．．—一??图１．６ＷｕＬｅ?Ｚｈｕ研制的二自由度定位平台?图１．７?Ｃｈｉｈ－Ｌｉａｎｇ?Ｃｈｕ研制的单自由度定位平台??１．３主要研究内容??根据国内外研究现状分析可知，随着各学科的发展，微纳定位技术的应用领域愈加广泛，??对微纳定位系统也提出了越来越高的性能要求
【参考文献】：
期刊论文
[1]三种两自由度柔顺精密定位平台的性能对比与分析[J]. 王念峰,张志远,张宪民,梁晓合. 机械工程学报. 2018(13)
[2]面向生物医学应用的微操作机器人技术发展态势[J]. 李杨民,汤晖,徐青松,贠远. 机械工程学报. 2011(23)
[3]柔性铰链机构设计方法的研究进展[J]. 于靖军,裴旭,毕树生,宗光华,张宪民. 机械工程学报. 2010(13)
[4]浅析灵敏度分析的几种数学方法[J]. 韩林山,李向阳,严大考. 中国水运(下半月). 2008(04)
[5]面向芯片封装的高加速度运动系统的精确定位和操作[J]. 丁汉,朱利民,林忠钦. 自然科学进展. 2003(06)
[6]柔性铰链的设计计算[J]. 吴鹰飞,周兆英. 工程力学. 2002(06)
[7]单轴柔性铰链设计方法研究[J]. 李玉和,李庆祥,陈璐云,白立芬. 清华大学学报(自然科学版). 2002(02)
硕士论文
[1]超弹性柔性铰链的建模和优化设计[D]. 林俊贤.哈尔滨工业大学 2016
[2]光刻机掩模微动台耦合误差分析及控制器设计[D]. 张之万.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3288365
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