基于对称型柔顺铰链的三自由度微定位平台设计与分析

通过对一种新型柔顺铰链进行分析,设计一种基于对称型柔顺铰链的三自由度微定位平台。首先,采用ANSYS有限元方法,对一种新型柔顺铰链的输入力和输出位移间的关系进行分析。根据分析结果,通过优化设计得出一种对称型柔顺铰链。然后,设计一种基于该对称型柔顺铰链三自由度微定位平台,并对设计的微定位平台进行理论分析和有限元分析,得出其输入输出位移关系,而且理论分析和仿真分析结果基本吻合。同时,采用基于理论分析模型的仿真分析修正方法对微定位平台的传递传递函数矩阵进行修正,提高微定位平台的定位精度。此外,分析了该微定位平台的应力变形,确定了其所选材料的力学性能指标符合设计要求。结果表明,该微定位平台能够符合大多数精密领域的需求,在精密定位领域具有一定的应用前景。     

一种3自由度精密微定位平台的设计与分析

高精度的微定位平台是精密定位技术研究的重要内容之一。采用柔顺机构作为微定位机构及压电陶瓷作为驱动器,设计了一种3自由度精密微定位平台。首先,对设计的微定位平台进行了理论分析,得出了该平台的理论输入与输出关系,同时确定了其行程范围。然后,采用ANSYS有限元方法对该平台在给定输入情况下的变形进行了分析,并对其输出位移进行了仿真。分析结果表明,设计的3自由度微定位平台理论分析结果和仿真分析结果基本吻合。最后,根据分析结果,制作了微定位平台样机。这种高精度的微定位平台在精密定位领域有着广泛的应用前景。     

铰链加工误差影响柔顺平台耦合的分析

精密定位、精密测量领域中除了要求精密定位平台具有高的定位精度外,还要求平台具有小的运动耦合性.柔顺定位平台中柔性铰链的关键尺寸加工误差将会对平台的运动耦合带来影响,必须进行合理的尺寸精度设计.针对所设计的一种纳米级定位精度两自由度柔顺平台,分析了不同位置铰链加工误差对定位平台耦合的影响,确定了对耦合影响最大的因素,给出了平台铰链关键尺寸精度设计的建议.     

三种两自由度柔顺精密定位平台的性能对比与分析

针对传统的缺口型和直片型柔性铰链平台行程不足的特点,设计了一种波纹簧片型柔性铰链,并在此基础上设计了由电磁驱动的两自由度柔顺精密定位平台。基于波纹簧片型、缺口型和直片型柔性铰链平台的特点建立有限元模型分析了这三种平台的静态和模态性能,包括行程,固有频率等。利用电磁驱动作为定位平台的输入驱动,综合对比了三种平台的实际行程,耦合位移,重复定位精度等性能,验证了有限元分析的正确性。结果表明,相比于缺口型和直片型柔性铰链平台,基于波纹簧片型柔性铰链的两自由度柔顺精密定位平台具有行程大,定位精度高的特点,对于柔顺精密定位平台的研究具有重要的参考价值。     

压电双晶片作为驱动的精密定位机构研究

设计了一种用柔性铰链作为弹性导轨,压电双晶片作为驱动器,结合三角型放大原理实现的精密定位机构,并采用精密电感式微位移传感器（LVDT）进行位移检测。实验表明,该精密定位机构运动范围为0～25μm,定位精度达到15nm。     

二自由度大行程无耦合压电粘滑定位平台

针对微操作与微装配任务对多维大范围精密定位运动的需求,采用粘滑驱动原理并结合压电柔顺机构设计二自由度、大行程、无耦合并联定位平台。利用桥式机构对内置压电驱动器进行位移放大,并与复合解耦结构配合构成二维柔顺驱动机构。交叉滚柱导轨则连接移动台与驱动机构,并通过预紧螺钉调整接触摩擦力,进而获得良好的粘滑运动特性。采用有限元法建立定位平台的静力学模型,并对位移放大倍数、应力和固有频率进行仿真分析。最后,搭建实验测试系统验证定位平台的输出性能。实验结果表明：在扫描驱动模式下,驱动电压为150 V时,平台x和y向的输出位移分别为63.84μm和62.61μm,耦合比为0.52%和0.59%,分辨率为6.5 nm和7.2 nm;在步进驱动模式下,驱动电压为120 V时,平台在x和y向的单步位移分别为47.31μm和47.20μm,耦合比为0.69%和0.73%,x正向、x反向、y正向和y反向的运动分辨率分别为0.49,0.47,0.47和0.42μm,最大垂直负载为50 N,设计的压电粘滑定位平台满足所需性能要求。     

超精密柔性压电式微位移机构的研究

设计了一种超精密压电式微位移机构,此机构以压电陶瓷作为驱动器,以对称杠杆式柔性铰链放大机构作为导向机构,弥补压电陶瓷位移行程过小的缺点.机构输出位移由原来的11.6μm放大到100μm,能够满足许多长行程、超精定位运动的需要.对此微位移机构进行定位精度测试,并将它作为位移补偿装置安装于精密滚珠丝杠副驱动的机床上,机床定位精度由原来的1μm上升到0.01μm,定位精度得到显著提高.     

一种低成本微定位平台的设计与仿真

针对半导体及微纳制造等领域对微定位系统低成本高精度的要求,根据以宏观的输入获得微观的输出、低精度驱动器输入获得高精度输出的设计思想,设计了一种基于柔性铰链差式杠杆机构的低成本微定位平台。在该平台中,通过设计位移缩放机构,将驱动器的宏观输入位移进行比例缩小,实现平台的微观输出,降低微定位平台的成本。分析了微定位平台的刚度,并根据该平台定位机构所受载荷的不同,设计了两种不同的柔性铰链。在此基础上,建立了该平台的有限元分析模型,采用ANSYS对该平台的应力进行了分析,并对该平台的输出位移进行了仿真。仿真结果证明了该微定位平台的可行性。     

应变式微型精密压电驱动器的一体化设计及其PID控制

基于有限元分析设计了一种利用应变片进行位移反馈的微型精密压电驱动器.该驱动器采用位移放大机构对微小应变进行放大,通过测量应变电桥的输出间接地测量出驱动器的微小位移.标定实验显示该传感器的精度为80 nm.虽然该应变反馈式压电驱动器是一种含有迟滞特性的复杂受控对象,但是在准静态条件下PID算法可以对其进行有效的闭环控制.分别进行了准静态的定位实验和跟踪实验,结果表明,PID控制算法对本驱动器的控制效果比较理想.在定位试验中,定位效果与开环相比有明显提高,定位误差不超过0.059 μm;单频正弦信号跟踪误差不超过0.085 μm;多频正弦信号跟踪误差不超过0.092 μm.实验证明了该方法在准静态条件下的有效性.     

六自由度微位移定位平台的设计与试验

压电叠堆与柔性机构构成了微位移的基本形式,其行程与精度、输出力的矛盾需要结合应用要求对结构进行综合设计。针对所构建的超精密加工工具对六自由度微位移的需求,提出了一种以压电叠堆作为驱动元件,以柔性铰链和楔形机构作为传动机构的空间六自由度微位移定位平台。由于压电叠堆需要一定的预紧力才能发挥其微位移精度和输出力的优势,通过静力分析,得出了微位移平台各个自由度驱动力和位移输出关系的表达式及刚度表达式,对结构进行了优化。试验表明,各自由度的行程与分辨率如下:x,y,z方向的最大位移分别为7.48,8.33和4.14μm,分辨率为0.01μm;沿θ_x,θ_y,θ_z方向的最大旋转角度均为0.13°,分辨率为0.01°,满足所构建的超精密加工工具定位的精度要求。试验获得了微位移定位平台的激励电压与各自由度位移输出曲线,为平台的运动、定位控制提供了依据,也为柔性铰链机构和楔形机构在其他结构中的应用提供了理论依据和试验基础。     

压电主动元件设计与实验研究

为自适应调节和改善空间结构动力学性能 ,利用压电材料的正逆压电效应 ,研制了一种具有传感和驱动双重功能的压电主动元件。该主动元件由压电驱动器、微位移传感器、压力传感器等组成 ,具有输出和实时检测微位移和力的功能。提出了压电主动元件的设计理论 ,并给出其工作机理及组成结构。针对其关键部件——压电驱动器进行了静态实验研究 ,包括位移输出情况、重复精度和稳定性实验。实验结果表明该驱动器输出位移可达 63 .2 μm、重复精度± 0 .0 5μm、稳定性 <0 .1μm,能够用于空间可展结构的精密微位移控制     

微机械系统中精密弹性微动工作台的研制及其精度分析

研制了一种低成本、高精度的双层精密弹性微动工作台及其闭环控制系统，并对其精度进行了分析。试验结果表明其分辨力优于０．１μｍ，定位精度优于±０．５μｍ，可作为一般微机械系统中的精密工作台。     

Preload characteristics identification of the piezoelectric-actuated 1-DOF compliant nanopositioning platform

Packaged piezoelectric ceramic actuators (PPCAs) and compliant mechanisms are attractive for nanopositioning and nanomanipulation due to their ultra-high precision. The way to create and keep a proper and steady connection between both ends of the PPCA and the compliant mechanism is an essential step to achieve such a high accuracy. The connection status affects the initial position of the terminal moving plate, the positioning accuracy and the dynamic performance of the nanopositioning platform, especially during a long-time or high-frequency positioning procedure. This paper presents a novel external preload mechanism and tests it in a 1-degree of freedom (1-DOF) compliant nanopositioning platform. The 1-DOF platform utilizes a parallelogram guiding mechanism and a parallelogram load mechanism to provide a more accurate actual input displacement and output displacement. The simulation results verify the proposed stiffness model and dynamic model of the platform. The values of the preload displacement, actual input displacement and output displacement can be measured by three capacitive sensors during the whole positioning procedure. The test results show the preload characteristics vary with different types or control modes of the PPCA. Some fitting formulas are derived to describe the preload displacement, actual input displacement and output displacement using the nominal elongation signal of the PPCA. With the identification of the preload characteristics, the actual and comprehensive output characteristics of the PPCA can be obtained by the strain gauge sensor (SGS) embedded in the PPCA.     

杠杆式尺蠖压电直线驱动器

设计了一种基于尺蠖运动原理的压电直线驱动器,用于解决光学领域中的精密定位问题。该驱动器采用了对称杠杆式位移放大机构,在保证钳紧力的同时,可以获得较大的驱动位移。阐述了尺蠖式压电驱动器的工作原理,对杠杆式柔性放大机构的位移损失、压电陶瓷与柔性机构的耦合特性及箝位机构与中间驱动机构的刚度进行了分析。利用有限元软件Ansys对钳位机构和驱动机构的变形、应力、输出位移和固有频率等参数进行了仿真分析。最后,搭建了实验平台,测试了驱动器的各项性能。测试结果显示,该驱动器的行程为±25mm,钳紧力为17N,承载力为11N,最大和最小步距分别为55μm和60nm。当驱动电压为150V时,驱动器的最高驱动速度为1.259mm/s。得到的性能指标满足光学领域精密定位需要。     

自聚焦伺服的激光测微技术

以激光ＣＤ 光学头为基础,提出新颖的自聚焦伺服测微工作原理,并以此原理试制测微仪。利用半导体激光器作光源,ＣＤ 光学头作高精度位移检测传感器,并利用高分辨率、高动态响应的压电晶体作微位移驱动源,建立实时闭环反馈的自聚焦伺服系统,由单片机进行控制,实现自动跟踪测量。系统首先在±５００μｍ 范围内进行寻焦搜索,实现光学头聚焦于被测表面,随后立即进入闭环聚焦伺服状态,对微位移进行检测。可获得±０．１μｍ 以上的测量精度,测量范围±１０μｍ ,测量形式为非接触测量。同时,该测微仪还有成本低、体积小、使用方便等优点,是一种值得推广的新方法。     

Modelling and parameter design of a 3-DOF compliant platform driven by magnetostrictive actuators

Precision platforms composed of smart-material-based actuators and compliant mechanisms show advantages of high accuracy and fast response. This research focuses on a 3-degree-of-freedom compliant platform driven by magnetostrictive actuators. A parameterized physical model is established for the platform with consideration of three kinds of coupling effects. The magneto-mechanical coupling of the magnetostrictive actuator is described by a modified Jiles-Atherton model. The structural coupling of the platform is characterized in the process of stiffness matrix modelling and coordinate system transformation of the compliant components. The coupling between the magnetostrictive actuator and the compliant structure is considered in the overall actuation model. Parameter design is performed based on the numerical simulation of the proposed model. Due to the coupling effect, the dimensions of the compliant amplifier affect both the amplification ratio and the actuation stroke of the actuator. Thus, a combined optimization is essential to obtain the optimal design. The influences of the key dimensions on platform stiffness and actuation performances are demonstrated. With optimized key dimensions, the parasitic displacements can be effectively reduced at very little cost of the moving strokes. Open-loop experiments are taken to verify the accuracy of the proposed physical model, and closed-loop experiments are performed to demonstrate the platform performance on precision positioning. The main errors are caused by the friction in a sliding pair and the inertia of the loads.     

压电驱动器的非线性模型及其精密定位控制研究

压电驱动器的非线性特性和迟滞特性是影响微动平台定位控制精度的主要因素。采用改进的Preisach模型对压电驱动器的迟滞特性进行建模，利用建立的Preisach模型进行开环精密定位控制和作为PID反馈控制的前馈环节的研究。实验结果表明，该模型能够有效地降低非线性迟滞特性对压电驱动器位移输出精度的影响，提高驱动器的动态响应特性。     

Basic characteristics of a multilayer thin electrostatic actuator supported by lubricating oil for a fine-motion stage

The present paper describes the basic characteristics of a multilayer thin electrostatic actuator supported by lubricating oil rather than precise ball bearings for a fine-motion stage. The purpose of the present research is to realize an easy-to-maintain multilayer thin electrostatic actuator having a simple structure for high-precision motion. Lubricating oil is used to support the mover, which is constructed of thin electrodes, and to reduce the friction between the mover and stator layers without the need for precise ball bearings. Each layer of the actuator has only one simple electrode that comprises several beams. In order to examine the characteristics of the multilayer thin electrostatic actuator, a two-layer electrostatic actuator was designed and constructed. First, the effect of the viscosity of the lubricating oil on the displacement and force characteristics were examined in order to clarify the suitable lubricating oil characteristics. In the experiments, low-viscosity oil provided a faster response and a larger thrust force. Next, a suitable driving signal for the electrostatic actuator supported by lubricating oil was investigated experimentally. Based on the results, control systems for the electrostatic actuator using suitable driving signals were designed in order to examine the effectiveness of the actuator. The positioning results indicate that the positioning accuracy is better than 15 nm.