菱形压电电机在并联精密定位平台中的应用

为了解决传统压电陶瓷驱动器固有的高精度与大行程的矛盾,提出了利用非共振式压电电机的两种不同运动模式来实现精密定位平台的定位高精度与工作大行程的方案。设计了一种新型菱形压电电机,分析其工作原理,给出了定子结构及夹持预紧结构的设计方案。菱形压电电机的实验结果表明,其步进作动模式下定位分辨率为1.0μm,连续运动模式下最大空载速度为0.932mm/s。在此基础上,利用3台菱形压电电机同步驱动并联精密定位平台,实验结果表明,并联平台平动定位分辨率为1.0μm,转动定位分辨率分别为8.6,11和10μrad。实验重复进行10次,动平台定位分辨率的波动率均低于5%,表明了该并联平台具有良好的同步性与重复性。另一方面,利用菱形压电电机的连续运动模式可实现大行程空间定位,其平动工作行程为3.54 mm,转动工作行程分别为3.92°,4.16°和4.05°。借助于菱形压电电机的不同工作模式实现了并联平台的精密定位和大行程工作空间两个关键指标,为进一步研究精密定位平台的动态性能、控制规律提供了理论价值和实践基础。     

基于PSD的微轮廓测量仪及其控制系统研究

涉及到一种基于PSD原理的高精度三维轮廓测量仪.X-Y工作台采用了宏驱动与微驱动相结合的工作方式.宏工作台采用步进电机驱动,进给精度达1微米;微工作台采用精密压电陶瓷驱动,进给精度最小可达1纳米.这样,使得X-Y测量步距达到1纳米的条件下,测量物件的尺寸范围可以扩大为20mm×20mm,不仅适合微小构件的精密测量,而且适合较大器件的精密测量,且X-Y方向的位移测量精度最小可达1纳米.Z方向位移传感器采用激光单点位置探测器PSD,Z轴方向的位移测量精度达10纳米.对微轮廓测量仪的控制系统作了程序设计,得到了较满意的效果.     

压电千分尺

<正> 美国Polytec Optronics公司推出的压电千分尺带有高分辨率的压电定位系统。这种压电千分尺应用范围广,容易操作。其主要性能如下: (1)精密、遥控定位; (2)分辨率达0.01μm; (3)测量范围为18mm(手控),采用PZT时为30μm。     

超声电机微纳驱动参数调节机构设计

为解决超声电机驱动轨迹及微行程纳米定位的可控问题,设计了一种基于双压电陶瓷驱动的调节机构,将双压电陶瓷驱动与超声电机驱动轨迹及微行程纳米定位控制关联起来,并利用ANSYSWorkbench有限元分析软件对调节机构进行了分析。通过对双压电陶瓷施加0～54V调节电压的实验,证实了调节机构能够使超声电机驱动头在x和y两个方向上获得所需的微纳米调节功能,调节范围为,x方向±1.2～±2.36μm,y方向±4.0μm,调节分辨率1～2nm,满足超声电机对驱动轨迹及微行程纳米定位的参数控制要求。     

激光干涉接触式轴承表面轮廓综合测量

介绍了一种可用于测量滚动轴承曲面形貌的表面轮廓综合测量仪，在测量中应使杠杆处于平衡位置，以减小测量力；用衍射光栅干涉位移传感器作为位移测量系统代替传统的电感位移传感器；z向工作台采用粗、细两级驱动定位，利用步进电机驱动斜面导轨进行粗级定位以扩大量程，压电陶瓷做微位移驱动实现精密定位以提高测量精度。论述了该仪器的整体结构、测量原理、工作台的定位控制以及衍射光栅干涉信号的处理。     

阶梯圆柱形压电振子直线型超声电机

针对现有直线型超声电机推力较小、效率不高的普遍现状,提出利用阶梯圆柱形压电振子驱动的直线型超声电机.其压电振子包含两组压电陶瓷单元,经逆压电效应激发阶梯形圆柱压电振子在两个正交方向上分别产生5阶弯曲振动,使振子两个圆盘形结构的表面质点形成椭圆运动,经摩擦作用于固定导轨,使振子组件沿导轨产生直线运动,进而构成直线型超声电机.采用有限元仿真方法确定结构尺寸,制作原理样机并进行了相关试验.原理样机获得如下性能:最大输出力为16.2 N;最大速度为180 mm/s;最大效率为38％;响应时间为24 ms;步进分辨率为2μm.     

一种高精度大行程2R1T并联定位平台

为了解决传统压电陶瓷驱动器所固有的高精度与大行程的矛盾,提出了一种新型可直接外力驱动的三自由度并联精密定位平台,利用压电直线电机直接驱动即可实现大行程与高精度定位。首先,分析了柔性铰链结构参数对其作动行程的影响机理,在此基础上设计了大行程圆柱柔性铰链,并对大行程圆柱柔性铰链的结构参数进行了模糊优化设计;接着,采用两个平移副和一个一体化、大行程圆柱形柔性铰链构建了并联分支链路,采用3条并联支路设计了2R1T并联精密定位平台,并通过坐标齐次变换方法构建了并联平台的运动学模型,推导出了并联平台位姿正反解;最后,对2R1T并联定位平台开展了实验研究。实验结果表明所设计的2R1T并联定位平台具有良好的运动同步性和重复性,利用压电直线电机的步进运动模式可实现精密定位,其平动定位分辨率为0. 09μm,转动定位分辨率分别为0. 8μrad、0. 9μrad和1. 0μrad;利用压电直线电机的连续运动模式可实现大行程空间定位,其平动工作行程为120 mm,转动工作行程分别为6. 18°、6. 74°和6. 58°。借助于压电直线电机的不同工作模式实现了并联平台的精密定位和大行程工作空间两个关键指标,为进一步研究2R1T并联机构的动态性能、精密定位及控制规律的实现等提供了重要的理论价值和实践基础。     

一种用于测量微观形貌的激光干涉式测量仪

该轮廓测量仪的开发是根据了Michelson干涉测量原理，工作台以正交衍射光栅为位移标准器，采用直线电机和压电陶瓷（PZT）进行快速粗定位和精确定位的两级定位过程，重点介绍了仪器的测量原理及光路系统．以及对电机及压电陶瓷的驱动和对干涉信号的处理。     

三角位移转换式压电直线电机

为了在保持电机精度的同时获得较大作动行程,提出了一种以叠层压电陶瓷作为激励振动源的压电直线电机。分析了电机的工作原理,推导了电机驱动足在工作时的运动轨迹。设计安装了电机样机,并对其定子进行了测试。最后,在两种激发条件下实验研究了电机的整机性能。结果表明:单组叠层压电陶瓷激励时,该样机定子驱动头在接触面法向和切向同时具有振动分量,并能够在阶跃和连续两种不同激励方式下实现单向大行程直线运动。以锯齿波激励时可实现步进运动,激励频率为20Hz时步距为0.1μm;以两路相位差π/2的正弦波激励时,可在1.5kHz到5.8kHz的激励频率区间输出稳定连续的直线运动,其运动速度随激励频率的升高而增大,在峰-峰值110V(50V偏置)的正弦电压激励下其推力可达4.8N。该电机具有高位置分辨率和宽频率响应,可以在两种工作模式下分别稳定地实现直线步进和大行程连续运行。     

基于机器视觉的宏/微双驱动与控制系统的研究

针对目前单一的驱动方式日益不能满足越来越多的微操作的要求;提出了利用步进电机和压电驱动器组成宏/微双驱动的微操作平台.步进电机实现大行程移动和定位,压电驱动器进行高精度定位误差补偿.同时为了解决宏/微双驱动两部分的协调控制问题,提出了利用全局机器视觉的协调控制方法,将末端执行器与目标点的距离作为控制阈值;如果当前距离大于设定的控制阈值,则启动宏动台进行驱动定位;否则启动压电驱动器进行定位误差补偿.试验结果表明:系统的定位速度快,定位精度为1μm,稳定定位时间小于40ms.     

纳米级定位精度一维位移工作台

介绍了一种具有纳米级定位精度的一维位移工作台。工作台采用粗精两级定位机构。可以实现0～6mm范围、1nm理论分辨力的快速、高精度定位；固定在工作台上的全息衍射光栅实现了对工作台位移的高精度闭环检测。采用ANSYS有限元分析软件对精定位工作台进行了静态及动态特性分析；采用双频激光干涉测长仪对工作台的定位精度进行了对比测量。位移工作台已用于表面三雏形貌测量中，给出了对标准样板的测试结果。     

基于电场驱动熔融沉积直写和微转印大面积透明电极制造

透明导电电极在触控屏、OLED、有机太阳能电池、电子纸、LCD、透明显示、透明电磁屏蔽等诸多光电子产品领域有着非常广泛的应用,然而,如何实现大面积银网格透明电极的低成本、批量化制造是学术界和产业界共同面临的一项挑战性难题和亟待突破的技术。结合电场驱动熔融沉积直写和液桥微转印技术,提出一种实现大面积透明电极低成本、批量化制造的新方法,通过试验揭示了主要工艺参数（打印床温度、功能材料表面张力、固化条件）对所制造透明电极分辨率和质量的影响及其规律,利用提出的方法并结合优化的工艺参数,实现了图案化面积20 mm×20 mm,线宽4 μm,周期200 μm,透光率88.15%、方阻约12 Ω/sq的纳米银网格透明电极的制造。结果表明,基于电场驱动熔融沉积直写和微转印的大面积透明电极制造方法具有成本低、精度高、一致性好、效率高的显著优势,为大面积透明电极规模化制造提供了一种具有工业化应用前景的全新解决方案。     

Microfluidic channel depth determination with Tywman–Green interferometer

A microfluidic channel is fabricated on a silica wafer using reactive ion etching (RIE). The depth of the microfluidic channel has been measured using a surface profilometer and a Twyman–Green interferometer (TGI) setup. The TGI setup which mainly consists of a 660-nm wavelength He-Ne laser source, glass cube beam splitter and two prisms produced interference fringes based on the optical path difference between two interfering beams when the microfluidic channel is inserted into one of the beams. The TGI setup that was developed has shown high repeatability when measuring microfluidic channel depth and also eliminates back injection into the laser source and alignment criticality. The TGI setup applied a single photodiode to detect the shifting of the bright and dark fringe produced from the interference of the TGI. The depth of microfluidic channel obtained from the TGI is 1.79?±?0.31 μm using fringe shifting and intensity measurements, while according to the surface profilometer the depth of microfluidic channel obtained is 1.67?±?0.07 μm. The resolution of the TGI is 0.25 μm and can still go well below that depending on the wavelength of the laser source. This research describes the capability of the TGI to perform depth measurements on a microfluidic channel of a silica substrate which can also be improvised for other microscale devices and applications.     

光针式三维表面形貌测量仪的研制

研制了一种基于动态聚焦探测法的新型光针式三维表面形貌测量仪,该仪器可实现表面三维形貌的快速、无损、非接触测量。介绍了该仪器的测量原理、仪器结构、伺服机构的设计并给出了实测结果。仪器垂直测量范围为500μm;垂直方向测量精度可达0·5μm,分辨率为0·01μm。     

基于MEMS工艺的高能量密度微电磁驱动器

提出了制作高能量密度电磁驱动器的工艺方法。利用微机械(MEMS)工艺在硅片上得到多匝平面线圈和磁芯的掩模图形,接着沉积种子层铜(Cu),然后对种子层进行整体Cu的电铸;当种子层生长到20 μm左右时,剥离硅片表面的镀层并用光刻胶保护磁芯位置的镀层;再用沿线电铸的方法对线圈进行电铸;最后保护制作好的线圈镀层,电铸NiFe合金材料。在10 mm×10 mm×0.38 mm的硅片上,制作出线圈匝数22×2(铜线截面积60 μm×60 μm、总长度达1 164 mm)、NiFe合金磁芯尺寸为3 mm×3 mm×0.2 mm的高能量密度微型电磁驱动器。把这种微型驱动器应用于无阀微泵做驱动实验:通入0.3 A的正弦电流时,微驱动器产生约50 mN的电磁力。实验结果表明:这种型微电磁驱动器在相同的输入功率下,比同类其他微电磁驱动器具有更高的能量密度,能产生更大的电磁驱动力。     

摆臂式非球面轮廓仪的原理与试验

介绍了一种新颖的非球面轮廓仪的测量原理和测量试验,它通过测量非球面与某一参考球面之间的偏离量来唯一确定非球面的面形误差,通过调整测量臂长以及回转轴线与光轴之间的夹角实现对不同非球面的测量。系统主要由高精度两维转台,高刚度测量臂,四自由度微调系统和高精度扫描测量传感器组成,并分别在VC++6.0与MATLAB平台上开发了测控软件以及数据处理软件。该测量方法的优点是测量所需传感器量程小,测量运动为一个简单的回转运动;缺点是测量调整自由度多,校准困难。建立了测量系统的数学模型,通过测量数据与名义面形之间的非线性优化,在获得面形误差的同时获得了非球面面形参数误差。通过测量多条截线实现了对非球面面形的全口径检测。最后对直径200 mm,顶点曲率半径1 400 mm的凹形抛物面镜进行了测量,结果表明,系统重复精度优于0.8 μm,精度优于1 μm。     

压电陶瓷驱动球基微驱动器的动力学研究

研制出了尺寸为30 mm×30 mm×50 mm的压电陶瓷驱动的球基微驱动器样机,并对该微驱动器进行动力学分析以及微型轴孔装配的实验研究。建立了微驱动器金属球空间坐标关系,分析了球基微驱动器的动力学特征,并建立了其动力学模型。采用龙格-库塔法计算出了微驱动器的动力学参数,并利用MATLAB的SIMULINK模块搭建了微驱动器的仿真模型,并对其进行了动力学仿真分析。研制出了球基微驱动器样机,并在此基础上,集成微夹持器形成微操作器,对微驱动器性能进行了实验测试,并开展了Φ180 μm微型轴与Φ200 μm微型孔之间的精密微装配实验研究。最后,分析了微驱动器金属球质量、驱动信号频率、以及金属球与微驱动单元摩擦块接触表面摩擦系数对其性能的影响。实验结果表明:该球基微驱动器的转动分辨率为0.000 1°,转动定位精度为0.000 5°,微驱动器最大工作频率为1 200 Hz。实验结果验证了逆转振动模型的正确性,由该微驱动器所集成的微操作器,完全可以满足对微小元器件的微米级操作与装配等精密作业的要求。     

VCSEL直接倍频蓝光固态激光器的研究

980 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)采用直接倍频和在复合腔中倍频两种方式实现了490 nm蓝光输出。整形采用0.23p@980nm的自聚焦透镜(GRIN lens),倍频晶体选择非线性系数相对较大、允许角相对较宽的LBO晶体。在VCSEL输出功率为530 mW时,选取透过波长为980 nm、长度为0.23 pitch的自聚焦透镜整形,倍频晶体选择2 mm×2 mm×5 mm的LBO晶体,输出了50 μW的490 nm蓝光,在增加了曲率半径R=50 mm的外腔镜后得到了70 μW的490 nm蓝光。     

一种采用微硅片狭缝的新型微小型光纤光谱仪

研制了一种采用微硅片狭缝代替传统机械狭缝的微小型光纤光谱仪。采用MEMS(微机电系统)工艺制造出了体积小、厚度薄的一体式微硅片狭缝,并分析了微硅片狭缝的狭缝不平直度对微小型光纤光谱仪分辨率的影响,通过测试系统分辨率的实验,验证了采用微硅片狭缝的可行性。同时,对微小型光纤光谱仪的光谱带宽和像元分辨力进行了讨论,为波长的标定提供了一种理论依据。通过对采集的汞灯谱线的分析和MATLAB的精确计算,验证了所提出的通用波长-像元迭代公式的正确性,从而研制出了一种采用微硅片狭缝的半峰全宽为0.85 nm,波长标定精度小于0.2 nm,体积为50 mm×46 mm×14 mm的微小型光纤光谱仪。     

超精密外差利特罗式光栅干涉仪位移测量系统

开展了扫描干涉光刻机工作台超精密位移测量的实验研究,以提高扫描干涉光刻机的环境鲁棒性。针对扫描干涉光刻机工作台位移测量精度,提出了新型高环境鲁棒性外差利特罗式光栅干涉仪测量系统。介绍了系统测量原理,设计了测量系统,提出了基于Elden公式的系统死程误差建模方法。设计制造了尺寸仅为48mm×48mm×18mm的光栅干涉仪。基于误差模型计算了死程误差,计算结果表明:对于1.52mm死程的光栅干涉仪,宽松的环境波动指标(温度波动为0.01℃、压力梯度为±7.5Pa、相对湿度波动为1.5%、CO2含量波动为±50×10-6)仅引起±0.05nm的死程误差。最后,设计了基于商用双频激光平面镜干涉仪的测量比对系统,开展了光栅干涉仪原理验证实验和测并量稳定性实验。原理验证实验表明:光栅干涉仪原理正确且系统分辨率达0.41nm。测量稳定性实验表明:常规实验室环境下,环境波动引起的死程误差为7.59nm(3σ)@0.9Hz1~10Hz,优于同等环境条件下平面镜干涉仪的31.11nm(3σ)@0.9Hz1~10Hz。实验结果显示系统具有很高的环境鲁棒性。