本文關(guān)鍵詞：用于微結(jié)構(gòu)表面橢圓振動(dòng)壓印裝置的研制，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：在一些特征尺寸的微尺度器件、機(jī)械或系統(tǒng)中，常常要使用微結(jié)構(gòu)功能表面，這些微尺度器件、機(jī)械或系統(tǒng)在信息、能源、環(huán)境、生物、醫(yī)學(xué)、國防等領(lǐng)域有著重要的市場(chǎng)應(yīng)用前景。超精密機(jī)械壓印是獲得微尺度或納尺度結(jié)構(gòu)表面的重要方法之一，該方法采用微尺度金剛石壓頭或嵌有微納結(jié)構(gòu)的金剛石壓頭，通過壓頭作連續(xù)高頻的橢圓沖壓運(yùn)動(dòng)，從而快速獲得模具表面微或納結(jié)構(gòu)，再利用具有微結(jié)構(gòu)表面的模具批量復(fù)制微結(jié)構(gòu)功能表面器件。與其他微結(jié)構(gòu)表面加工技術(shù)相比，它的優(yōu)勢(shì)在于：（a）與MEMS光刻加工方法相比，采用機(jī)械壓印加工具有微結(jié)構(gòu)表面的模具，所需設(shè)備成本低；（b）與超精密車削、微銑相比，精密機(jī)械壓印可加工更小的幾何形貌，且不易產(chǎn)生干涉；（c）與熱化學(xué)壓印相比，精密機(jī)械壓印適用的材料范圍更廣，不只是軟質(zhì)材料，還包括硬金屬甚至硬脆性材料；（d）加工精度高，一次壓印成型使表面粗糙度達(dá)到納米級(jí)。因此，對(duì)精密機(jī)械壓印的研究具有十分重要的理論研究意義。 為了使微結(jié)構(gòu)機(jī)械壓印獲得高加工效率和高加工質(zhì)量，最為關(guān)鍵的是研制高精密高頻響的橢圓壓印機(jī)構(gòu)。本文的研究內(nèi)容如下。 （1）建立了壓印過程的力學(xué)模型、材料流動(dòng)模型、壓印改善的力學(xué)性能指標(biāo)，并且通過單點(diǎn)壓印試驗(yàn)，研究分析了6061鋁材料加載力與壓印深度曲線，這些都為橢圓振動(dòng)壓印裝置的設(shè)計(jì)和連續(xù)壓印試驗(yàn)做了鋪墊。 （2）為了實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)表面的連續(xù)高頻壓印，研究了橢圓振動(dòng)壓印裝置與機(jī)床同步性的問題，以及橢圓振動(dòng)幅度a、b與頻率及壓頭尺寸參數(shù)的關(guān)系，確定了壓印各個(gè)參數(shù)關(guān)系，包括主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量以及橢圓工作頻率。 （3）利用柔性鉸鏈設(shè)計(jì)了一種非共振型二維橢圓振動(dòng)輔助金剛石壓印裝置。柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)采用一個(gè)壓電疊堆驅(qū)動(dòng)Y向運(yùn)動(dòng)，另兩個(gè)壓電疊堆左右兩側(cè)對(duì)稱驅(qū)動(dòng)Z向運(yùn)動(dòng)。金剛石壓頭安裝在刀座上，刀座由柔性鉸鏈導(dǎo)向，在壓電疊堆的驅(qū)動(dòng)下做二維橢圓振動(dòng)。各運(yùn)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)位移均為10μm，設(shè)計(jì)剛度均為50N/μm。采用電容式微位移傳感器作為位移響應(yīng)檢測(cè)單元。該裝置的核心部分是一個(gè)兩自由度并聯(lián)柔性鉸鏈運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。兩運(yùn)動(dòng)軸（Y軸、Z軸）的鉸鏈交錯(cuò)排列分布，其中Y軸由三組對(duì)稱的單軸柔性鉸鏈導(dǎo)向， Z軸并由兩組對(duì)稱單軸柔性鉸鏈并聯(lián)導(dǎo)向。該機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)在于：（a）運(yùn)動(dòng)柔性鉸鏈部分由線切割一體化加工得到，與固定結(jié)構(gòu)緊湊裝配；（b）兩方向的三運(yùn)動(dòng)軸均由多組雙穩(wěn)態(tài)柔性鉸鏈導(dǎo)向，無側(cè)向運(yùn)動(dòng)；（c）運(yùn)動(dòng)軸之間通過交錯(cuò)對(duì)稱排列實(shí)現(xiàn)高度解耦，避免了運(yùn)動(dòng)的串?dāng)_問題。（d）整個(gè)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，可以對(duì)YZ平面的任意橢圓刀具路徑進(jìn)行精確跟蹤控制。 （4）為進(jìn)一步驗(yàn)證二維橢圓振動(dòng)壓印裝置的真實(shí)性能參數(shù)，在加工前對(duì)所設(shè)計(jì)裝置進(jìn)行了有限元分析，加工裝配后進(jìn)行了離線性能測(cè)試。通過有限元分析和離線測(cè)試，得到性能指標(biāo)如下：Y軸、Z軸的靜態(tài)剛度分別為40.32N/μm、32.26N/μm（仿真值和試驗(yàn)值接近），裝置Y向、Z向的最大行程分別為9μm、12μm，共振頻率為1111Hz。Y、Z各軸分辨率分別為10nm、9nm。階躍跟蹤性能良好，串?dāng)_分析顯示裝置高度解耦。
【關(guān)鍵詞】：微結(jié)構(gòu)功能表面 超精密機(jī)械壓印 橢圓振動(dòng)輔助加工 柔性鉸鏈
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TH122
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-18
• 1.1 研究背景及意義10-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-16
• 1.3 本文研究目的和研究內(nèi)容16-17
• 1.4 本文組織結(jié)構(gòu)17-18
• 第2章 壓印理論與單點(diǎn)機(jī)械壓印仿真分析18-26
• 2.1 壓印的材料力學(xué)模型與壓印的力學(xué)性能指標(biāo)18-23
• 2.1.1 壓印過程的力學(xué)模型18-19
• 2.1.2 壓印過程的材料流動(dòng)模型19-21
• 2.1.3 機(jī)械壓印的材料力學(xué)性能指標(biāo)21-23
• 2.2 單點(diǎn)機(jī)械壓印的有限元分析23-25
• 2.3 本章小結(jié)25-26
• 第3章 二維橢圓振動(dòng)壓印的運(yùn)動(dòng)匹配與刀具路徑分析26-36
• 3.1 橢圓振動(dòng)壓印中的運(yùn)動(dòng)匹配問題26-29
• 3.1.1 高頻壓印采用橢圓振動(dòng)輔助的必要性26-27
• 3.1.2 二維橢圓振動(dòng)壓印的運(yùn)動(dòng)匹配實(shí)現(xiàn)27-29
• 3.2 橢圓振動(dòng)壓印的刀具路徑特征29-31
• 3.3 橢圓振動(dòng)輔助壓印參數(shù)選取31-33
• 3.3.1 主軸轉(zhuǎn)速32-33
• 3.3.2 進(jìn)給率33
• 3.3.3 橢圓振動(dòng)工作頻率33
• 3.4 小結(jié)33-36
• 第4章 二維橢圓振動(dòng)壓印裝置的設(shè)計(jì)與分析36-54
• 4.1 二維橢圓振動(dòng)壓印裝置的總體設(shè)計(jì)36-39
• 4.1.1 裝置的總體運(yùn)動(dòng)布局37-39
• 4.1.2 機(jī)構(gòu)的工作原理39
• 4.2 二維橢圓振動(dòng)壓印裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算39-46
• 4.2.1 壓電選型39-40
• 4.2.2 電容位移傳感器的選型40
• 4.2.3 柔性鉸鏈的選型及設(shè)計(jì)計(jì)算40-45
• 4.2.4 柔性鉸鏈的性能校核45-46
• 4.3 有限元仿真分析46-48
• 4.3.1 靜力學(xué)分析46-48
• 4.3.2 模態(tài)分析48
• 4.4 預(yù)緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)48-49
• 4.5 鉸鏈支架及裝置底座設(shè)計(jì)49-51
• 4.6 二維橢圓振動(dòng)壓印裝置的加工裝配51-52
• 4.7 本章小結(jié)52-54
• 第5章 二維橢圓振動(dòng)壓印裝置的離線性能測(cè)試54-62
• 5.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成與試驗(yàn)環(huán)境測(cè)試54-55
• 5.2 靜態(tài)剛度測(cè)試55-56
• 5.3 固有頻響測(cè)試56-57
• 5.4 階躍響應(yīng)信號(hào)跟蹤測(cè)試57-58
• 5.5 正弦激勵(lì)響應(yīng)測(cè)試58-59
• 5.6 裝置運(yùn)動(dòng)分辨率測(cè)試59-60
• 5.7 串?dāng)_性能分析60-61
• 5.8 本章小結(jié)61-62
• 第6章 結(jié)論與展望62-64
• 6.1 全文結(jié)論62-63
• 6.2 工作展望63-64
• 參考文獻(xiàn)64-70
• 致謝70

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張永華,丁桂甫,彭軍,蔡炳初;LIGA相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用[J];傳感器技術(shù);2003年03期

2 吳鷹飛,周兆英;柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)計(jì)算[J];工程力學(xué);2002年06期

3 張志杰;袁怡寶;;典型柔性鉸鏈柔度性能的計(jì)算與分析[J];工程力學(xué);2008年04期

4 李東源;閆秀生;張曉光;侯藍(lán)田;周桂耀;;用于大截面?zhèn)飨窆饫w束的折衍混合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J];光電工程;2006年05期

5 陳松海;周東曉;;淺析美軍炮兵新概念武器系統(tǒng)[J];國防科技;2006年02期

6 李升輝;楊長城;;折/衍混合紅外光學(xué)系統(tǒng)的消熱差設(shè)計(jì)[J];光學(xué)與光電技術(shù);2006年04期

7 黃春峰,賴傳興,陳樹全;現(xiàn)代特種加工技術(shù)的發(fā)展[J];航空精密制造技術(shù);2001年06期

8 李榮彬,杜雪,張志輝,高棟,趙偉明;光學(xué)微結(jié)構(gòu)的超精密加工技術(shù)[J];納米技術(shù)與精密工程;2003年01期

9 朱荻,王明環(huán),明平美,張朝陽;微細(xì)電化學(xué)加工技術(shù)[J];納米技術(shù)與精密工程;2005年02期

10 李鐵才;王立松;;納米超精密加工技術(shù)[J];伺服控制;2007年03期

  本文關(guān)鍵詞：用于微結(jié)構(gòu)表面橢圓振動(dòng)壓印裝置的研制，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：430081