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。     

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。     

单自由度柔性微定位平台的设计与分析

针对微/纳精密操作定位精度要求,基于压电陶瓷驱动方法,设计了一类适用于面内精密定位工作的单自由度柔性微定位平台,采用单自由度柔性铰链实现机构的微/纳米级运动。通过构建柔性微定位平台的运动学模型得到了机构在铰链空间和笛卡尔空间中的位置映射关系,结合有限元仿真分析各位置柔性铰链的柔度特性对机构执行末端位移输出能力的影响,与位置理论计算结果比较说明其有效性。模态分析、驱动刚度分析为后续的动力学问题研究奠定了基础。     

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。     

SEM环境下3PRR并联平台奇异区域规避与逃逸控制策略

微纳操作系统是精密操作、精密加工领域重要组成部分。微纳操作系统的载物平台负责放置样品和大行程搬运样品,需要大行程、高精度的定位。宏微结合的方法能弥补精密定位平台行程不足的缺点,而并联机构能实现高精度定位,因此采用3PRR(3自由度,每条支链包括一个移动副(P)驱动和两个转动副(R))并联平台作为扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy,SEM)环境下的宏微结合精密平台中的宏动部分。为了实现大行程、高精度定位,需要分析机构工作空间与奇异性分布。通过推导3PRR运动学方程,求得机构雅可比矩阵,研究雅可比矩阵特性,求得3PRR并联平台非奇异工作空间分布,把机构雅可比矩阵特性与奇异分布引入控制范畴,提出两种奇异区域规避控制策略与一种奇异位型逃逸控制策略。对机构如何规避奇异区域与进入奇异位型后如何快速逃逸提供了理论指导,仿真分析表明,提出的策略对机构精密定位与可控性提供了保障。     

面向MEMS制造的高速精密定位平台的动力学仿真和结构设计

基于音圈电动机直驱,提出一种采用新型弹性解耦机构的2自由度笛卡儿坐标高速高精度定位平台。该平台将电动机放置在基座上,使运动惯量大大减小,从而使实现定位平台的高速高精密运动成为可能。阐述了该定位平台的弹性解耦原理,采用有限元分析与机械系统动态仿真相结合的方法,对定位平台的高速动力学行为进行研究。通过机构的刚体和弹性动力学分析,基于定位平台的动态响应,对弹性解耦机构中的关键部件——弹簧,进行动态优化设计。详尽地探讨了铰链弹性对弹簧刚度和预载选配的影响,以及弹簧刚度和预载对定位平台运动的影响规律,并给出弹簧刚度和预载的匹配曲线,从而为该类制造装备的动力学设计和样机建造奠定了重要理论基础。精度试验表明,该高速精密定位平台的各项指标均达到了设计要求,证明了设计理论的正确性。     

一种新型精密微定位平台的设计与分析

为了减小微定位平台的寄生运动,提高微定位平台的直线度,采用二级柔顺杠杆机构作为放大机构,以直梁型柔性铰链作为导向机构,设计了一种基于压电陶瓷驱动的新型精密微定位平台。根据虚功原理建立了新型精密微定位平台的理论模型,推导了其放大倍数、刚度的计算公式;采用ANSYS Workbench对新型精密微定位平台进行了有限元仿真分析,并搭建了试验测试系统。试验结果表明:微定位平台的最大行程可以达到68.32μm,放大倍数可以达到2.02,直线度为1.19%～1.42%,误差较小。经比较分析,试验结果与理论值贴合度较高,表明二级柔顺杠杆机构响应速度快、定位精度较高。     

二维微执行器几何非线性拓扑优化设计与试验

多自由度柔顺机构在微动精密定位和精密操作等领域有广泛的应用,并且柔顺机构拓扑优化后所得机构都是锯齿状跳跃边界的几何图像,不能直接应用于工程实际,因而对多自由度柔顺机构拓扑优化、提取与试验研究就显得十分必要。基于此,以二维微执行器为例,进行多自由度柔顺机构几何非线性拓扑优化、拓扑图提取与试验研究。首先,给出了考虑耦合抑制输出的多输入多输出柔顺机构几何非线性拓扑优化数学模型及优化算法。其次,针对柔顺机构性能特点,给出了一种拓扑提取方法。提取过程包括灰度图像二值化、密度等值线方法边界近似和曲线重构三个部分。最后,以二维微执行器为基础,采用线切割加工工艺,研制了二维微执行器原型,并对其位移性能进行了试验测试,结果表明,该二维微执行器试验结果与理论分析结果基本吻合,达到了设计要求,同时也验证了所提方法的有效性。     

一种单输入3T1R并联振动筛主机构的拓扑结构和运动学分析

根据基于方位特征(POC)的并联机构拓扑结构设计理论,提出了一种新颖的、可用作并联振动筛振动驱动单元的单自由度输入、三平移一转动输出(3T1R)的并联机构。本文分析了该机构的拓扑结构特性,进行了机构的运动学求解;运用MATLAB软件得到了机构动平台(振动筛筛面)的输出速度及加速度变化曲线,并采用ADAMS软件进行运动仿真,验证了机构动平台上不同位置点的运动轨迹、速度及加速度的变化规律;最后由EDEM软件分别对并联振动筛与传统的直线振动筛进行筛分试验仿真,给出了筛分效率的结果。为少自由度输入并联机构的设计和应用提供了一定的理论基础。     

压电驱动六自由度指向平台的力电耦合分析

在高精度微调机构的研究中,面临的是一个包括多个部件、刚性与柔性并存、综合的力学-电学问题,对于机构的高精度微调指向性能以及后续的控制研究中,需要建立并得到整个系统的输入与输出的关系,即压电驱动器的输入电压和微调机构的指向关系。采用压电六自由度并联机构作为平台,基于压电材料的力电耦合理论,在考虑力电耦合效应、位移放大机构的弹性变形的影响下,提出并建立了平台的全系统解析和数值预测方法,其中分别包括了整个平台系统的部件级和系统级的分析理论及数值模拟方法。计算结果表明,所提出的解析和数值方法能够对此类六自由度平台的运动进行预测,通过压电驱动器的输入电压得到最终的平台输出姿态,这对高精度微调机构的设计提供了新的研究手段和重要指导依据。     

一种垂直运动精密微定位平台的设计与分析

根据桥式放大机构和平行四边形导向机构相结合设计了一种新型的垂直运动精密微定位平台。利用卡式定理推导了微定位平台的最大行程、刚度及放大比,利用拉格朗日方程推导了微定位平台的动力学模型及其固有频率。采用有限元仿真软件分析微定位平台的动静力学特性,并与理论分析结果进行对比,两者结果吻合良好。制造了微定位平台的原型样机,并进行了实验验证,实验结果表明:垂直运动精密微定位平台的行程可达112.9μm,闭环分辨率为10 nm,可以用于显微镜聚焦系统的微调等垂直定位精度较高的场合。     

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.     

一种新型3-RPC柔性精密平台设计与分析

基于3-RPC并联机构提出一种由压电陶瓷驱动的新型3-RPC柔性精密平台模型,并在初始构型的基础上对移动副、圆柱副、连接运动副的连杆等进行结构的优化设计,然后采用有限元法对相同尺寸的初始构型和优化后构型进行静力学分析;采用齐次变换法,建立该机构位置正反解表达式,得到柔性精密平台压电陶瓷驱动的柔性移动副输入与上平台微位移输出之间的关系,并进行有限元软件的加载试验,验证正、反解结果;根据设计原理,得出该精密平台的原理误差,计算出功能方向与非功能方向的位移误差,同时对比输出位移和误差大小,用有限元法验证理论分析结果的正确性。研究结果表明柔性精密平台具有运动解耦,结构紧凑,控制方便的特点,具有较好的应用前景。     

六自由度柔性精密传动与定位平台的静态特性分析

基于柔顺机构学、机械原理和空间机构学,设计了由压电陶瓷驱动器驱动的六自由度柔性精密定位平台。利用伪刚体法和虚功原理对平台进行静力学分析,得到了沿X、Y、Z轴移动,绕X、Y轴摆动和绕Z轴转动6个自由度的静态刚度及运动特性,利用APDL对定位平台的结构进行优化,得到了平台6个方向运动的最大行程。对定位平台进行有限元仿真,并通过搭建的实验平台进行测试,将实验结果与理论结果和仿真结果进行对比分析,验证了理论模型的正确性及平台结构的合理性。     

大行程5-DOF微纳传动平台的设计及特性分析

对大行程、多自由度及高刚性微纳传动平台的设计要求和特性进行了研究,开发了由压电陶瓷驱动的大行程5-DOF微纳传动平台,设计了位移量大、可导向的微位移放大机构,实现了微纳传动平台的高精度、大移动及大摆动等功能。分析了微纳传动平台的基本原理和自由度,建立了微纳传动平台的运动学模型,得到了其输入/输出特性。基于伪刚体的基本理论及虚功原理,推导了微纳传动平台沿X、Y、Z向的移动刚度及绕X、Y轴的摆动刚度,并对影响微纳传动平台静态刚度的特征参数进行了分析,获得了其移动刚度及摆动刚度的特性。创建了微纳传动平台的几何模型,应用有限元方法对该平台进行了分析及仿真,验证了微纳传动平台的运动学模型、伪刚体模型的正确性。     

基于有限元的柔性铰链微位移机构研究

针对传统压电陶瓷器件应用于微位移技术中难以实现高精度的问题,提出了一种柔性铰链微位移机构,对该机构的运动特性进行了理论分析,并利用有限元方法进行了仿真验证。研究了铰链间距及其关键几何参数对微位移机构性能的影响。结果表明:有限元仿真结果和理论分析结果相一致,利用ANSYS仿真可以确定几何参数对微位移机构性能的影响,结合理论分析可以提高微位移机构的设计效率和准确性,避免纯粹理论计算在结构设计上缺少仿真分析支撑的问题。实验结果验证了本文设计的微位移机构应用于超精密加工中具有很高的精度。     

大行程三平动柔性微定位平台的设计分析及优化

为设计具有毫米级运动行程、良好的静、动态特性且结构多样的三维平动柔性微定位平台。首先,提出两种新型的多自由度大行程柔性运动副。其次,基于该运动副,给出三种新型大行程空间平动柔性微定位平台实例。然后,采用非线性方法建立平台力位移关系、输入耦合及丢失运动的理论模型,并采用柔度矩阵法建立平台的刚度及固有频率模型。随后,以提高平台的静、动态性能为目标对平台进行参数寻优。最后对平台进行有限元分析,验证理论模型的正确性。根据理论与仿真结果,平台一阶固有频率为49.6Hz,在1mm运动行程内,x、z轴方向的丢失运动分别小于0.32%、0.7%,输入耦合小于1.2%且输出完全解耦。为空间平动柔性微定位平台的设计、分析及优化提供了一种系统化的研究方法。     

精密磨床辅助工件平台的设计

为补偿精密磨床砂轮的振动对加工精度的影响，设计了一台作为磨床辅助进给装置的微进给工件平台。该工作平台采用压电陶瓷作为驱动机构，弹性铰链作为预紧机构。为了避免压电陶瓷驱动器受到弯矩的作用，在压电陶瓷驱动器的顶部和动平台之间加了一个球形接头。利用弹性铰链的预紧力，实现驱动器和动平台之间的赫兹接触。高精度的电容式位移传感器用来测量动平台的实际输出并形成反馈控制系统。为了消除压电陶瓷的迟、蠕变等非线性，采用了非线性PID控制算法来实现微进给平台的实时控制。采用跟踪微分器对信号进行跟踪并得到其微分信号，提高了控制系统的鲁棒性。通过计算机仿真了所设计的微进给平台的特性和闭环控制算法的有效性。     

新型六自由度微动并联机构的工作空间分析

在实现天文光学镜面毫米级行程位姿调整和微纳米级精密定位中,基于全柔性铰链的新型3SPS+3(SP-U)六自由度并联机构的工作空间主要由柔性铰链相对较小的回转空间所定义。分析了3SPS+3(SP-U)并联机构运动自由度及其部分自由度解耦特性,并根据实物样机的几何参数建立了其运动学逆解模型。在此基础上,基于柔性铰链回转空间及支链行程范围,采用搜索法分析了其工作空间,并采用激光跟踪仪对样机的工作空间进行了实测。理论计算和实测结果验证了该机构动平台中心点的平动位移空间可达±3 mm,转角空间可达±1°,确保了其在应用中具有足够的工作范围,达到了设计目标。     

一种单自由度3T1R并联机构的拓扑设计及其运动学

根据基于方位特征方程的并联机构拓扑设计理论和拓扑降耦设计方法，设计了一种新的少输入-多输出（Fi-Mo）型单自由度三平移一转动（3T1R）输出的并联机构，对其拓扑特性进行了分析，给出了该机构的方位特征集、自由度及耦合度κ；根据基于序单开链的运动学建模原理，给出了该机构的位置正解求解方法及其数值解；同时导出了其位置反解求解公式及机构的速度与加速度公式，并进行了速度与加速度的仿真。最后给出了该机构可用作并联振动筛的3D虚拟样机设计。研究结果为该类单自由度3T1R型并联振动筛机构的尺寸优化设计、样机研制打下了基础。