二维微动工作台分析及其优化设计方法

设计了一种压电陶瓷驱动的二维微动工作台,采用结构力学理论建立了工作台的简化模型,并推导出工作台沿x、y方向刚度计算表达式。将工作台简化为2自由度弹簧一质点系统,得出其前二阶固有频率计算表达式。通过微动工作台固有频率及沿x、y方向刚度的试验测试,验证了解析法和有限元法用于微动工作台设计分析的可行性。采用有限元法,研究了微动工作台的直角平板柔性铰链特征参数对微动工作台性能的影响。有限元分析结果表明:当平板柔性铰链长度较小或铰链宽度较大时,其刚度、频率及驱动力较高,然而铰链根部应力集中也较严重。通过改变柔性铰链的特征参数,可达到控制和优化工作台固有频率、输出位移、应力分布及驱动力响应的目的,并提出一种优化设计微动工作台柔性铰链的简易方法。     

柔性铰链在精密和超精密加工中的应用与研究

主要研究了柔性铰链微动工作台的特性及其在精密和超精密加工中的应用，通过分析柔性铰链的特性，就柔性铰链微动工作台的设计进行阐述，并对其精度进行分析。     

微动工作台的误差源分析

并联微动工作台广泛用于高精度场合,制造误差、装配误差、以及工作过程中温度与重力的作用都会影响到终端定位精度,因此有必要对误差源进行研究.以一种3-PPTTRS微动工作台为例,利用矢量闭环,在微动工作台单支链标准模型的基础上建立基于杆长的误差模型和基于柔性铰链的误差模型.考虑到杆的制造误差、柔性铰链的制造误差、装配误差、驱动部件的运动误差和温度变化引起的杆长不准确,建立相应的矢量闭环方程.分别分析柔性转动副、柔性球副和柔性胡克铰的制造误差和装配误差对微动工作台终端定位精度的影响,详细分析切入半径的误差、切入圆圆心沿x方向的位移偏差、切入圆圆心沿y方向的位移偏差、沿z方向的偏转等柔性铰链制造误差以及垂直度、同轴度等柔性铰链装配误差对微动工作台终端位姿的影响.分析温度和重力对精度的影响.有限元仿真结果表明,温度对微动工作台的影响很大,而重力的影响基本上可以忽略不计.该方法对复杂并联微动机器人的精度设计提供了有效的途径.     

采用柔性铰链实现微位移的方法研究

在微位移技术中,柔性铰链是实现微粒移和高分辨率的的理想机构。本介绍了柔性绞链的简化设计方法,并利用柔性绞链工作原理设计了柔性框架式爬行驱动器作为微动工作台的驱动装置,使微动工作台获得了稳定的工作精度和高分辨率。     

新型二维纳米级微动工作台的动力学分析

提出一种新型、集成式压电驱动两自由度nm级微定位工作台系统,工作台采用直角柔性平行板铰链,实现X,Y方向的运动,采用杠杆放大柔性铰链机构实现对压电陶瓷位移的放大.并对这种新型结构形式理论分析与实验测试.根据拉格郎日方程建立微动工作台的运动微分方程,推导出系统前两阶固有频率的解析式.采用有限元分析方法对微动工作台进行模态分析,得到微定位工作台有效工作的谐振频率和振型,并对微动工作台的模态频率进行了实验测试.经理论分析、有限元计算和实验测试结果进行对比与分析的一致性说明理论分析的正确性和数值分析的可靠性.     

Piezo微步进工作台主框架研究

为了扩大微动工作台的有效行程,提出一种新型的基于Piezo驱动的微步进X-Y工作台,通过机构仿真确定了微步进工作台主框架中各柔性铰链的转角参数,并据此确定了主框架中各柔性铰链的结构参数,最后通过非线性有限元对整个微步进工作台主框架的变形情况进行了分析.     

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.     

二维微动工作台微位移机构特性研究

微动工作台是微机电系统及其制造设备中的重要部件。文章结合电致伸缩陶瓷驱动器和杠杆柔性铰链机构，论述了二维微动工作台微位移机构的设计，建立了微位移机构的机电耦合模型。重点分析了机构的暂态响应和稳态响应及其影响因素，为微动工作台系统设计、改善微位移机构的响应速度以及控制系统参数的确定提供了理论依据。     

微机电系统二维微动工作台微位移机构特性研究

结合电致伸缩陶瓷驱动器和杠杆柔性铰链机构,论述了二维微动工作台微位移机构的设计,建立了微位移机构的机电耦合模型。分析了机构的暂态响应和稳态响应及其影响因素,为微动工作台系统设计、改善微位移机构的响应速度以及控制系统参数的确定提供了理论依据。     

基于双向平面四杆机构的二维微动工作台的设计与有限元分析

基于双向平面四杆机构设计出了二维微动工作台,该工作台采用了内外双层柔性铰链支撑结构,利用压电陶瓷驱动,具有结构简单、加工方便等优点。为了验证该工作台能达到预期效果,在Pro/E中建模再导入ANSYS中进行静态分析,分析结果与计算结果吻合较好。同时在ANSYS中对微动工作台施加X和Y向不同力时,得到X和Y向位移及工作台的最大应力,通过比较得到位移与力成正比,应力与位移成正比,与公式一致,最后建立了微动工作台的动态模型,解析计算与有限元模态分析求解固有频率基本一致,说明该微动工作台基本满足要求。     

压电陶瓷驱动的铰链放大式微动工作台研究

研制了一种新的压电陶瓷驱动的铰链放大式微动工作台。介绍了该微动工作台的基本原理,利用原子力显微镜技术测定了压电陶瓷与铰链放大臂的微位移和微振动,确定了铰链机构的放大比及微动工作台的时间响应频率。结果表明,该微动工作台能以0.5μm～5μm的步长实现平稳的微位移,最大速度达到250μm/s。     

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。     

并联微动机构的柔性设计

由于并联微动机构应用在特殊场合,故对其定位精度提出了极高的要求.运动副的间隙和摩擦是影响机构精度的主要因素,提出了采用无间隙、无摩擦的柔性铰链作为微动机构的运动副.通过分析柔性铰链结构尺寸与性能的关系,合理选择了铰链材料和几何尺寸.并以带柔性铰链的Stewart六自由度平台为设计实例,证明了柔性铰链在微动机构中的应用是成功的.     

一种纳米级二维微定位工作台的设计与分析

研究开发了一种采用柔性铰链导向的二维光学调整微定位工作台,建立了工作台的简化模型,并利用结构力学理论推导出工作台沿x、y方向刚度及前二阶固有频率解析式。进行了微定位工作台固有频率及沿x、y方向刚度的试验测试,并结合解析方法和有限元方法对微定位工作台设计刚度及动力特性进行分析验证。有限元分析表明:当工作台的直角平板柔性铰链长度较小而铰链宽度较大时,其刚度、频率及驱动力较高,铰链根部应力集中也较严重。通过改变柔性铰链的特征参数,可达到控制和优化工作台固有频率、输出位移、应力分布及驱动力响应的目的,并提出了一种优选微定位工作台柔性铰链参数的简易方法。     

新型三维微动台的设计与试验分析

研究设计一种新型的、以压电陶瓷为驱动器的三维微动台结构。该微动台以柔性铰链为弹性导轨实现了微定位。 分析所采用的直圆柔性铰链的参数变化对其造成的性能影响;提出一种新型柔性铰链结构,利用有限元分析软件AN SYS对这种新型结构进行理论分析和试验测试。试验表明:采用这种柔性铰链结构的微动台刚度比较小、运动耦合误差 小,定位精度优于±0.01μm。     

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。     

三维纳米级微动工作台的设计与分析

研究开发了一种新型精密三维微动工作台。采用呈等边三角形分布的三个压电陶瓷和环形平板铰链机构 ,保证了运动传递的连续性、无洄滞、无摩擦、高精度。建立了工作台的简化模型,并利用结构力学理论推导出工作台沿z方向平动刚度、绕x、y方向转动刚度以及前三阶固有频率解析式。进行了微动工作台沿z方向平动刚度、绕x、y方向转动刚度以及固有频率试验测试,验证了解析方法和有限元方法进行三维工作台刚度及动力特性分析的正确性。有限元分析表明:当工作台的环形平板铰链半径较小而铰链厚度较大时,其刚度、频率及驱动力较高,其铰链根部应力集中也较严重。通过改变环形平板铰链的特征参数,可达到控制和优化工作台固有频率、输出位移、应力分布及驱动力响应的目的,并提出了一种优选微动工作台环形平板铰链参数的简易方法。     

压电驱动超精密加工微定位工作台的设计与研究

设计开发了一种用于超精密加工的新型压电驱动微定位工作台（PBMPM—PZT Based Micm—positioning Platform for Machining）。利用力学理论，对柔性铰链和平行铰链运动副进行建模，推导出其刚度理论计算公式。同时，用有限元方法分析了由柔性铰链构建的微定位工作台静、动态特性和振动特性。理论分析、有限元计算和实验结果的一致性说明了理论分析的正确性和数值分析的可靠性。     

具有角度修正功能的大行程二维纳米工作台

基于宏微组合驱动方式,提出一种具有角度修正功能的大行程二维纳米工作台设计方案来减小精密测量系统中由于工作台定位及角度误差引入的测量误差.首先,从原理上对设计方案进行了论证.该方案中宏动工作台和微动工作台共用位置反馈系统构成闭环控制,并基于压电陶瓷致动器及柔性铰链设计的六自由度微动工作台对宏动工作台进行直线定位误差及角度误差的综合补偿.然后,基于设计方案设计了宏动工作台及微动工作台的结构.最后,对安装调试后的宏微工作台系统进行了直线组合定位测试及角度误差修正测试.实验结果表明,该工作台系统的宏动行程达到了200 mm×200 mm;在闭环控制下,通过六自由度微动工作台的补偿作用可使各角度偏差由上百秒降至10″以内,由此工作台系统在全行程内的直线定位误差可由3μm降至25 nm以内.实验结果验证了提出的组合定位系统的有效性.     

X射线干涉仪中单晶硅微动工作台的研制

目前国际上Ｘ射线干涉仪所采用的微动工作台均采用对称式柔性铰链结构,其缺点是侧 滑角大,严重影响干涉信号的对比度,很容易产生干涉条纹的记数误差。为此提出了非对称结构微动工作台的设计思想,并引入有限元方法进行了结构参数优化,研制了整体式Ｘ射线干涉仪。理论分析和实验表明：利用非对称结构研制的Ｘ射线干涉仪,分析器的侧滑角显著下降,干涉信号的对比度大大提高,更适合Ｘ射线干涉纳米测量的要求。