大行程纳米级共平面二维精密工作台的研究

研究开发了一种大行程纳米级共运动平面二维工作台,该工作台采用宏/微两级驱动,宏驱动由滑动导轨、直流无刷电机、精密丝杠组成,微驱动由平行平板柔性铰链和压电陶瓷组成。对平行平板柔性铰链进行了力学分析,并推导计算了其固有频率。工作台移动范围为50mm×50mm,可实现5nm的运动分辨率。工作台在X、Y方向分别装有衍射光栅计量系统,宏微位移由同一套衍射光栅计量系统进行位移计量,计量系统的有效位移分辨率为2.3nm。该二维工作台具有通用化和小型化特点,可以用于微纳米表面的测量与微机电系统的控制与加工。     

用于光纤对准的柔性铰链微位移机构

提出了一种新型的微位移机构。该机构用步进电机驱动 ,柔性铰链和弹性平板作为传动导向机构 ,可以实现纳米级的运动分辨率。该机构已经应用于光纤对准中的精密调整。     

三自由度精密定位工作台的设计与仿真

研究设计一种以压电陶瓷为驱动器,柔性铰链机构为导轨的精密定位工作台.分析和计算柔性铰链微位移放大机构的位移放大倍数和静态刚度,建立精密定位工作台的输入输出方程,确定微定位工作台各自由度的变形量与压电陶瓷驱动器伸缩量之间的关系.最后使用ANSYS软件对微定位工作台的运动进行仿真,给出微动平台的运动范围.     

基于叠片式柔性铰链和压电陶瓷电动机的大行程直线驱动导轨设计

提出了一种叠片式柔性铰链导轨工作台,可以在保持柔性铰链微位移工作台高直线度的前提下,大幅度提高行程,同时还保持了柔性铰链微位移工作台无机械爬行现象的优点。采用压电陶瓷电动机作为叠片式柔性铰链工作台的驱动器,压电陶瓷电动机应用超声波驻波或行波驱动,具有定位精度高、行程大、频响高等优点,驱动分辨率可达20nm以下。     

超磁致伸缩二维精密工作台研究

在超磁致伸缩驱动器的基础上，以柔性铰链机构作为传动部件，设计了创新结构的二维精密工作台。应用ANSYS软件对所设计的柔性铰链机构进行了应力和位移分析。设计了闭环控制系统来控制工作台的输出精密和响应速度。经分析，X和Y方向的最大位移量可达0．2mm。     

压电驱动超精密定位工作台的研究

研究、设计了一种压电式超精密微定位工作台。此工作台在伺服电机驱动的滚珠丝杠进给系统的基础上，采用压电陶瓷作为微位移驱动器，柔性铰链为导向机构，对工作台运动位置自动补偿，实现了超精密定位。文中对柔性铰链机构进行了合理的设计，以实现长行程超精密定位。压电陶瓷配合柔性铰链使用使工作台定位精度达到0．01μm，可满足精密、超精密加工需要。     

精密微位移工作合的设计与性能分析

在微位移技术中,柔性铰链是实现微位移和高分辨率的理想机构。结合精密磨床工作台高精度、高分辨率和大刚度的特点,以及满足工作台的工作行程和进给稳定性要求,设计了宏微两级精密进给机构;建立了柔性铰链导向机构的理论模型并进行刚度分析;详细给出了柔性铰链的参数设计、有限元分析和疲劳寿命分析。     

精密微位移工作台的设计与性能分析

在微位移技术中,柔性铰链是实现微位移和高分辨率的理想机构.结合精密磨床工作台高精度、高分辨率和大刚度的特点,以及满足工作台的工作行程和进给稳定性要求,设计了宏微两级精密进给机构;建立了柔性铰链导向机构的理论模型并进行刚度分析;详细给出了柔性铰链的参数设计、有限元分析和疲劳寿命分析.     

压电驱动柔性铰链机构传动实现超精密定位

简单介绍压电元件和柔性铰链的概念与特点。列举压电元件与柔性铰链机构结构实现超精密定位的典型例子，包括超精密测量、超精密加工、光学自动聚焦和大行程超精密定位。为使超精密定位工作台的结构紧凑，提出单驱动多自由度运动机构。应用蠕动式的运动原理可合成机构上的多自由度运动，并实现大行程运动。设计了对称结构的柔性铰链机构实现导向功能。制造和装配了微小型平面工作台。     

基于类V型柔性铰链的微位移放大机构

采用新型高精度类V型柔性铰链设计了柔性微位移放大机构,以减小该类机构的寄生运动并提高其动力学性能。对类V型柔性铰链与最常见的高精度直圆型柔性铰链的性能进行了比较;在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,基于弹性力学和材料力学理论推导了基于类V型柔性铰链和基于直圆型柔性铰链的两类二级杠杆式微位移放大机构的放大比。采用ANSYS软件,建立了放大机构的有限元模型,验证了位移放大比的理论推导,并对上述两类放大机构的位移放大比、寄生运动和固有频率进行了仿真和比较。有限元分析结果显示：基于类V型柔性铰链的放大机构有着更小的寄生运动和更高的固有频率,且前2阶固有频率分别是基于直圆型柔性铰链放大机构的1.68倍和1.41倍。最后,采用微视觉测量系统测量了两类放大机构的位移放大比和寄生运动。结果表明：基于类V型和直圆型柔性铰链放大机构的放大比和相对寄生运动比分别为4.387、4.529和0.314 7、0.334 2,显示类V型柔性铰链用于微位移放大机构可有效减小寄生运动并提高动力学性能。     

箝位机构柔性铰链的转动刚度计算及其设计参数选择研究

柔性铰链由于其特殊的性能在精密机械及微纳米等技术领域有着广泛的应用。为较好满足蠕动式微进给工作台箝位机构响应快速、定位准确的工作要求，设计轴对称型柔性铰链，并依据材料力学理论给出其转动刚度的理论分析和计算方法；根据材料力学理论和结构分析给出针对该结构柔性铰链的尺寸参数设计方法，综合分析认为壁厚是影响其工作性能的最主要的参数。     

基于应力刚化效应的动态特性可调微动平台设计新方法

针对现有基于柔性铰链的微动平台动态特性受材料特性、设计制造等误差影响,难以满足精密微动平台对动态响应（特别是可变频率操作）的高要求,基于应力刚化效应,提出了动态特性可调的微动平台设计新方法,推导预应力作用下一端固定一端导向梁的等效刚度和质量公式;基于对称布置假设,建立含有弹片式柔性铰链(下面简称弹片)组数(离散变量)和截面尺寸(连续变量)的离散连续变量复合优化模型,释放承载刚度约束,获得截面尺寸含有弹片组数变量的精确解系列,分析了给定预应力下不同弹片组数微动平台的承载刚度和频率调节范围,从而通过承载刚度约束和频率调节范围要求确定弹片组数。通过数值算例,验证了推导计算模型求解精度和所提设计方法的应用有效性。计算结果表明,与有限元分析结果相比,本模型的计算结果相对误差小于2%,实现了给定工作刚度、频率和承载刚度约束的微动平台最优结构设计。所提方法实现了刚度和频率大范围的调整,不但降低了加工精度要求,还为动态特性自适应匹配的智能微动平台提供一种实现途径。     

超声波电动机驱动大行程柔性导轨设计

应用叠片式柔性铰链和压电陶瓷电动机 ,实现了一种大行程柔性导轨可以在保持柔性铰链高直线度的前提下 ,大幅度提高行程 ,同时还保持柔性铰链微位移工作台无机械爬行现象的优点。导轨应用超声波电动机作为叠片式柔性铰链工作台的驱动器 ,驱动分辩率可达 2 0nm。     

新型一维位移工作台的设计及特性分析

研究开发了一种能实现大量程位移和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,以精密衍射光栅传感器组成工作台位移的闭环检测系统。工作台可以实现0~6 mm 的位移及1 nm的定位分辨力。文中建立了由压电陶瓷驱动和柔性铰链导向的精定位机构的机电耦合模型,进行了精定位机构的模态分析和静力学分析,并采用ANSYS软件进行了有限元仿真运算。最后给出了工作台在表面三维微观形貌测量仪中的应用结果。     

Development of a compact and long range XYθ(z) nano-positioning stage

In this study, we describe the development of a novel, compact, and long range in-plane XYθ(z) nano-positioning stage with piezoelectric actuator and flexure mechanism. The stage is composed of an X-directional motion part and a Y, θ(z)-directional motion part, which are linked serially. The stage consists of a bridge-type amplifying mechanism for the amplification of deformation of the piezoelectric actuator, a double compound guide mechanism for performing only desired motion, and a circular hinge mechanism that permits rotational motion in the Y and θ(z)-stages. To set the design variables of the stage, optimal design is carried out. To verify the results of the optimal design process and the performance of the stage, the FEM simulation and experiment are carried out. The proposed XYθ(z) nano-positioning stage has a translational motion range of 700 μm and a rotational motion range of 0.3°; it has a closed-loop resolution of 5 nm, 5 nm, and 0.025 arcsec in the X-, Y-, and θ(z)-directional motions, respectively. The proposed stage is a novelty in that it has a compact size of 200 × 200 × 30 mm(3), and decoupled kinematic design.     

Y型柔性铰链的设计与实验

为设计一种高精度、结构简单的大变形柔性铰链,提高并联平台的运动精度和零件使用寿命,本文提出了一种Y型柔性铰链。首先,借助ANSYS和ADAMS进行柔性铰链的回转中心、安装方式和行程要求的分析研究。接着,利用数控机床进行柔性铰链的加工制作。然后,利用光学坐标测量仪OPTOTRAK进行柔性铰链的轴漂测量实验。最后,进行了转动副并联平台、单片簧柔性铰链并联平台和Y型柔性铰链并联平台的圆轨迹实验。实验结果表明:Y型柔性铰链回转误差最大值为0.5962mm,Y型柔性铰链并联平台圆轨迹的误差最大值比转动副并联平台减小了42.7%。Y型柔性铰链可以很好地替换并联平台中的转动副,提高并联平台运动精度。     

双柔性平行六连杆微动平台结构的设计及测试

采用直圆型柔性铰链设计了承载能力较大的双柔性平行六连杆微纳定位平台,并对其性能进行了测试。基于柔性铰链经典刚度公式计算了直圆型柔性铰链转动刚度,推导了双柔性平行六连杆微动平台在运动方向的整体刚度函数;建立了平台的动力学模型,得到了平台的固有频率解析式。基于静动态特性优化设计了双柔性平行六连杆微纳定位平台,得到了平台的优化参数。基于激光干涉仪和多普勒激光测振仪建立了平台的静动态特性测试系统。对微纳定位平台进行了试验和测试,结果显示:刚度的理论计算值为7.92N/μm,试验值为7.44N/μm,误差为6.5%;固有频率的理论模型值为349.9Hz,实验值为342.2Hz,误差为2.3%。空载和加载为250、500、2 000、2 250、2 500g时的平台位移表明加载不均匀会对平台输出位移产生较大的影响,当加载为2 500g时,不均匀加载对位移的影响量约为均匀加载的5倍。此外,平台最大位移为56.59μm。重复定位精度测试显示,在施加电压50、100、150V时,定位平台在同一输入电压下的位移最大偏差为0.896μm。实验结果表明,建立的双柔性平行六连杆的刚度和固有频率计算模型是正确的,设计的微动平台的最大位移及精度可满足设计要求。     

柔性铰链微操作机构的误差源分析

深入分析了微操作机构的各种误差源机理及作用规律 ,提出了减小微操作机构误差、提高操作精度的措施 ,为高精密的柔性微操作机构设计、加工及装配提供了理论依据 ,也为进行精度测试及实现控制算法打下基础     

Optimal design of a flexure hinge based XYφ wafer stage

Optimal design o1 a XYφ micromotion stage is presented. The stage consists of a monolithic flexure hinge mechanism with three piezoelectric actuators. This paper describes the procedures of selecting parameters for the optimal design. In particular, it presents a mathematical formulation of the optimization problem. Based on the solution of the optimiiation problem, the final design of the stage is also presented. Experimental results indicate that the design procedure is effective, and the designated stage has the total range of 41.5 μm mid 47.8 μm along the X- and Y-axes, respectively, and the maximum yaw motion range of 322.8 aresec (1.565 mrad).