【摘要】：微納定位技術(shù)是微納制造、微觀成像、納米壓印、硬盤高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及光刻等諸多行業(yè)的核心共性技術(shù)。相關(guān)精密工程技術(shù)的飛速發(fā)展,對(duì)微納定位系統(tǒng)的性能提出了更嚴(yán)苛的要求。由于設(shè)計(jì)誤差、仿真分析中的不確定性和加工制造過程中不可避免的誤差,精密定位機(jī)構(gòu)常常無法達(dá)到理想的動(dòng)態(tài)特性輸出,無法適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境和不同工況條件下的定位工作。這些不足都限制了精密定位機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范圍,因此研究人員引入動(dòng)態(tài)特性可調(diào)機(jī)構(gòu)來避免各種誤差的影響。微定位平臺(tái)是精密定位機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵核心部件,進(jìn)行微定位平臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性可調(diào)研究將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)精密定位機(jī)構(gòu)的發(fā)展。針對(duì)動(dòng)態(tài)特性可調(diào)的微定位平臺(tái)的設(shè)計(jì)與建模,本文做了一些探索性的工作。主要內(nèi)容為:基于應(yīng)力剛化原理設(shè)計(jì)了一種基于橋式機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性可調(diào)的微定位平臺(tái);根據(jù)柔度矩陣、梁變形理論以及振動(dòng)理論等建立了該動(dòng)態(tài)平臺(tái)的放大比模型、輸入剛度模型和動(dòng)力學(xué)模型;采用有限元的方法對(duì)動(dòng)態(tài)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析研究。本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分主要包括動(dòng)態(tài)平臺(tái)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與橋式放大機(jī)構(gòu)。在實(shí)現(xiàn)微定位平臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性可調(diào)的基礎(chǔ)上,為保證盡可能大的輸出位移和較好的導(dǎo)向性能,本文所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)平臺(tái)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用對(duì)稱布置的柔性板簧導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。根據(jù)應(yīng)力剛化原理,當(dāng)板簧中存在應(yīng)力時(shí),板簧的剛度將會(huì)發(fā)生變化,因此改變板簧的內(nèi)應(yīng)力可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平臺(tái)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性調(diào)節(jié)。本文以此建立了動(dòng)態(tài)平臺(tái)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)力剛化下的輸入剛度模型、一階模態(tài)模型,并采用有限元的方法對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證,證明了所建理論模型的有效性。為滿足高精度的應(yīng)用需求,本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)平臺(tái)采用具有高剛度、高分辨率和高響應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)的壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)元件。但壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的直接輸出位移約為自身長度尺寸的千分之一,為了實(shí)現(xiàn)較大的輸出位移,采用具有高放大比、結(jié)構(gòu)緊湊、易于加工等優(yōu)點(diǎn)的橋式機(jī)構(gòu)作為位移放大機(jī)構(gòu),并基于柔度矩陣建立了橋式機(jī)構(gòu)的放大比模型和輸入剛度模型,采用有限元的方法對(duì)所建立的理論模型進(jìn)行了驗(yàn)證。最后推導(dǎo)了動(dòng)態(tài)平臺(tái)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作為外負(fù)載的整個(gè)動(dòng)態(tài)平臺(tái)的放大比模型、輸入剛度模型、一階模態(tài)模型,并采用有限元的方法對(duì)動(dòng)態(tài)平臺(tái)的理論模型進(jìn)行了驗(yàn)證。理論結(jié)果與有限元仿真結(jié)果的一致性表明了理論模型的準(zhǔn)確性,對(duì)以后實(shí)際動(dòng)態(tài)可調(diào)平臺(tái)的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH703
【圖文】：

ｖ＝ｌ邋ｍ邋｜—＠邐＿Ｊ邋丨逡逑＾邋［Ｍｒ—１Ｌ＾］逡逑圖１－３復(fù)合橋式并聯(lián)微納工作臺(tái)逡逑猶他大學(xué)學(xué)者ＫａｍＫ．邋Ｌｅａｎ＃７］研發(fā)了一種能用于原子力顯微鏡（ＡＦＭ）的高逡逑速和低速二維微動(dòng)平臺(tái)如圖１－４所示。高速微動(dòng)平臺(tái)采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，由壓電陶瓷驅(qū)逡逑動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)范圍為ｌ0Ｍｍｘｌ0（ｘｍ，平面內(nèi)兩個(gè)水平方向的固有頻率為ｌｌ．ｌＫＨｚ和逡逑４．６８ＫＨＺ。低速微動(dòng)平臺(tái)也采用了串聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的一級(jí)杠桿作逡逑為放大機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)大行程運(yùn)動(dòng)的需求，其運(yùn)動(dòng)范圍為４１．７６ｐｍｘ３４．５８＾ｍ，平面逡逑內(nèi)兩個(gè)水平方向的固有頻率為６２７Ｈｚ和４３９Ｈｚ。逡逑３逡逑

Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ邋Ｓｔａｇｅ邐Ｌｏｗ－Ｓｐｅｅｄ邋Ｓｔａｇｅ逡逑圖１－４邋ＡＦＭ掃描的高速與低速二維微動(dòng)平臺(tái)逡逑哈工大孫立寧團(tuán)隊(duì)［２Ｓ＿２９］在國內(nèi)較早的開展了壓電驅(qū)動(dòng)的微定位平臺(tái)的設(shè)計(jì)與逡逑研究，圖１－５為其設(shè)計(jì)的一維、二維微定位平臺(tái)結(jié)構(gòu)。圖１－５邋（ａ）所示的一維微定逡逑位平臺(tái)采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，橋式機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷的橫向輸出位移放大并傳遞到逡逑縱向運(yùn)動(dòng)輸出端，該橋式平臺(tái)行程１６２．５ｐｍ，固有頻率３６６Ｈｚ。圖１－５邋（ｂ）所示的逡逑二維微定位平臺(tái)，同樣由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，串聯(lián)四桿機(jī)構(gòu)作為解耦結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)平面逡逑運(yùn)動(dòng)方向上的解耦，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)范圍為３0ｎｍｘ３０｜ｉｍ，平面兩階固有頻率為４９５．７Ｈｚ逡逑和邋５２１．８Ｈｚ。逡逑—＝＝邐邐邐＝—？ｒ邐Ｉｋ邋電陶邋Ｓ與－下■板逡逑１邐—－．．．．．—．．．」邐位移傳感器１邐＾基體逡逑（ａ）邋—維微定位平臺(tái)邐（ｂ）二維微定位平臺(tái)逡逑圖１－５文獻(xiàn)［２８］和［２９］設(shè)計(jì)的微定位平臺(tái)逡逑此外清華大學(xué)殷純永等研發(fā)了具有納米級(jí)定位精度，用于超精測量的微定逡逑位平臺(tái)；天津大學(xué)張大衛(wèi)教授［３Ｉ］團(tuán)隊(duì)研制了能實(shí)現(xiàn)平面納米級(jí)定位的一體化運(yùn)動(dòng)逡逑平臺(tái)；上海交通大學(xué)朱利民等［３２］研發(fā)了一種二維并聯(lián)高帶寬微運(yùn)動(dòng)定位平臺(tái)；澳逡逑門大學(xué)的Ｙａｎｇｍｉｎ邋Ｌｉ等％設(shè)計(jì)分析了一種并聯(lián)微位移定位平臺(tái)，并結(jié)合粒子群算逡逑法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。逡逑除高校和科研院所外

圖１－４邋ＡＦＭ掃描的高速與低速二維微動(dòng)平臺(tái)逡逑哈工大孫立寧團(tuán)隊(duì)［２Ｓ＿２９］在國內(nèi)較早的開展了壓電驅(qū)動(dòng)的微定位平臺(tái)的設(shè)計(jì)與逡逑研究，圖１－５為其設(shè)計(jì)的一維、二維微定位平臺(tái)結(jié)構(gòu)。圖１－５邋（ａ）所示的一維微定逡逑位平臺(tái)采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，橋式機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷的橫向輸出位移放大并傳遞到逡逑縱向運(yùn)動(dòng)輸出端，該橋式平臺(tái)行程１６２．５ｐｍ，固有頻率３６６Ｈｚ。圖１－５邋（ｂ）所示的逡逑二維微定位平臺(tái)，同樣由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，串聯(lián)四桿機(jī)構(gòu)作為解耦結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)平面逡逑運(yùn)動(dòng)方向上的解耦，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)范圍為３0ｎｍｘ３０｜ｉｍ，平面兩階固有頻率為４９５．７Ｈｚ逡逑和邋５２１．８Ｈｚ。逡逑—＝＝邐邐邐＝—？ｒ邐Ｉｋ邋電陶邋Ｓ與－下■板逡逑１邐—－．．．．．—．．．」邐位移傳感器１邐＾基體逡逑（ａ）邋—維微定位平臺(tái)邐（ｂ）二維微定位平臺(tái)逡逑圖１－５文獻(xiàn)［２８］和［２９］設(shè)計(jì)的微定位平臺(tái)逡逑此外清華大學(xué)殷純永等研發(fā)了具有納米級(jí)定位精度，用于超精測量的微定逡逑位平臺(tái)；天津大學(xué)張大衛(wèi)教授［３Ｉ］團(tuán)隊(duì)研制了能實(shí)現(xiàn)平面納米級(jí)定位的一體化運(yùn)動(dòng)逡逑平臺(tái)；上海交通大學(xué)朱利民等［３２］研發(fā)了一種二維并聯(lián)高帶寬微運(yùn)動(dòng)定位平臺(tái)；澳逡逑門大學(xué)的Ｙａｎｇｍｉｎ邋Ｌｉ等％設(shè)計(jì)分析了一種并聯(lián)微位移定位平臺(tái)，并結(jié)合粒子群算逡逑法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。逡逑除高校和科研院所外

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2751992