【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,對微納定位系統(tǒng)的性能提出了更嚴苛的要求。由于設(shè)計誤差、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,精密定位機構(gòu)常常無法達到理想的動態(tài)特性輸出,無法適應(yīng)復雜環(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構(gòu)的應(yīng)用范圍,因此研究人員引入動態(tài)特性可調(diào)機構(gòu)來避免各種誤差的影響。微定位平臺是精密定位機構(gòu)的關(guān)鍵核心部件,進行微定位平臺的動態(tài)特性可調(diào)研究將會進一步促進精密定位機構(gòu)的發(fā)展。針對動態(tài)特性可調(diào)的微定位平臺的設(shè)計與建模,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)計了一種基于橋式機構(gòu)的動態(tài)特性可調(diào)的微定位平臺;根據(jù)柔度矩陣、梁變形理論以及振動理論等建立了該動態(tài)平臺的放大比模型、輸入剛度模型和動力學模型;采用有限元的方法對動態(tài)平臺的動態(tài)特性進行了仿真分析研究。本文設(shè)計的動態(tài)平臺運動部分主要包括動態(tài)平臺調(diào)節(jié)機構(gòu)與橋式放大機構(gòu)。在實現(xiàn)微定位平臺的動態(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向性能,本文所設(shè)計的動態(tài)平臺調(diào)節(jié)機構(gòu)采用對稱布置的柔性板簧導向結(jié)構(gòu)。根據(jù)應(yīng)力剛化原理,當板簧中存在應(yīng)力時,板簧的剛度將會發(fā)生變化,因此改變板簧的內(nèi)應(yīng)力可以實現(xiàn)動態(tài)平臺調(diào)節(jié)機構(gòu)的動態(tài)特性調(diào)節(jié)。本文以此建立了動態(tài)平臺調(diào)節(jié)機構(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該模型進行了驗證,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)計的動態(tài)平臺采用具有高剛度、高分辨率和高響應(yīng)速度等優(yōu)點的壓電陶瓷作為驅(qū)動元件。但壓電陶瓷驅(qū)動器的直接輸出位移約為自身長度尺寸的千分之一,為了實現(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)點的橋式機構(gòu)作為位移放大機構(gòu),并基于柔度矩陣建立了橋式機構(gòu)的放大比模型和輸入剛度模型,采用有限元的方法對所建立的理論模型進行了驗證。最后推導了動態(tài)平臺調(diào)節(jié)機構(gòu)作為外負載的整個動態(tài)平臺的放大比模型、輸入剛度模型、一階模態(tài)模型,并采用有限元的方法對動態(tài)平臺的理論模型進行了驗證。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確性,對以后實際動態(tài)可調(diào)平臺的設(shè)計優(yōu)化具有指導意義。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH703
【圖文】：

ｖ＝ｌ邋ｍ邋｜—＠邐＿Ｊ邋丨逡逑＾邋［Ｍｒ—１Ｌ＾］逡逑圖１－３復合橋式并聯(lián)微納工作臺逡逑猶他大學學者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平臺如圖１－４所示。高速微動平臺采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，由壓電陶瓷驅(qū)逡逑動，其運動范圍為ｌ0Ｍｍｘｌ0（ｘｍ，平面內(nèi)兩個水平方向的固有頻率為ｌｌ．ｌＫＨｚ和逡逑４．６８ＫＨＺ。低速微動平臺也采用了串聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計，使用壓電陶瓷驅(qū)動的一級杠桿作逡逑為放大機構(gòu)，以實現(xiàn)大行程運動的需求，其運動范圍為４１．７６ｐｍｘ３４．５８＾ｍ，平面逡逑內(nèi)兩個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平臺逡逑哈工大孫立寧團隊［２Ｓ＿２９］在國內(nèi)較早的開展了壓電驅(qū)動的微定位平臺的設(shè)計與逡逑研究，圖１－５為其設(shè)計的一維、二維微定位平臺結(jié)構(gòu)。圖１－５邋（ａ）所示的一維微定逡逑位平臺采用壓電陶瓷驅(qū)動，橋式機構(gòu)實現(xiàn)壓電陶瓷的橫向輸出位移放大并傳遞到逡逑縱向運動輸出端，該橋式平臺行程１６２．５ｐｍ，固有頻率３６６Ｈｚ。圖１－５邋（ｂ）所示的逡逑二維微定位平臺，同樣由壓電陶瓷驅(qū)動，串聯(lián)四桿機構(gòu)作為解耦結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)平面逡逑運動方向上的解耦，平臺運動范圍為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—維微定位平臺邐（ｂ）二維微定位平臺逡逑圖１－５文獻［２８］和［２９］設(shè)計的微定位平臺逡逑此外清華大學殷純永等研發(fā)了具有納米級定位精度，用于超精測量的微定逡逑位平臺；天津大學張大衛(wèi)教授［３Ｉ］團隊研制了能實現(xiàn)平面納米級定位的一體化運動逡逑平臺；上海交通大學朱利民等［３２］研發(fā)了一種二維并聯(lián)高帶寬微運動定位平臺；澳逡逑門大學的Ｙａｎｇｍｉｎ邋Ｌｉ等％設(shè)計分析了一種并聯(lián)微位移定位平臺，并結(jié)合粒子群算逡逑法進行了結(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平臺逡逑哈工大孫立寧團隊［２Ｓ＿２９］在國內(nèi)較早的開展了壓電驅(qū)動的微定位平臺的設(shè)計與逡逑研究，圖１－５為其設(shè)計的一維、二維微定位平臺結(jié)構(gòu)。圖１－５邋（ａ）所示的一維微定逡逑位平臺采用壓電陶瓷驅(qū)動，橋式機構(gòu)實現(xiàn)壓電陶瓷的橫向輸出位移放大并傳遞到逡逑縱向運動輸出端，該橋式平臺行程１６２．５ｐｍ，固有頻率３６６Ｈｚ。圖１－５邋（ｂ）所示的逡逑二維微定位平臺，同樣由壓電陶瓷驅(qū)動，串聯(lián)四桿機構(gòu)作為解耦結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)平面逡逑運動方向上的解耦，平臺運動范圍為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—維微定位平臺邐（ｂ）二維微定位平臺逡逑圖１－５文獻［２８］和［２９］設(shè)計的微定位平臺逡逑此外清華大學殷純永等研發(fā)了具有納米級定位精度，用于超精測量的微定逡逑位平臺；天津大學張大衛(wèi)教授［３Ｉ］團隊研制了能實現(xiàn)平面納米級定位的一體化運動逡逑平臺；上海交通大學朱利民等［３２］研發(fā)了一種二維并聯(lián)高帶寬微運動定位平臺；澳逡逑門大學的Ｙａｎｇｍｉｎ邋Ｌｉ等％設(shè)計分析了一種并聯(lián)微位移定位平臺，并結(jié)合粒子群算逡逑法進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。逡逑除高校和科研院所外

【參考文獻】

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本文編號：2751992