三维精密位移系统的设计

为满足精密位移的需要,研究开发了一种大行程、纳米级和计量型三维精密位移系统。采用模块化结构设计,即3个方向的驱动机构均采用完全相同的设计结构,分别称为X、Y、Z向一维工作台。位移系统在X、Y、Z3个方向采用粗、精两级驱动,并分别装有计量光栅。各方向粗驱动采用交流伺服电机配合精密丝杠和直线导轨进行,精驱动采用压电陶瓷微位移器配合柔性铰链进行,每个方向的两级驱动共用一套计量光栅,从而保证了位移系统的大行程、纳米级和计量型。介绍了位移系统的结构设计,分析了位移系统的位移分辨率、计量原理以及它的运动性能。实验表明,在40mm位移行程内,X、Y和Z向工作台两级驱动实际位移与设定位移之差分别不超过±0.030、±0.028和±0.033μm,验证了位移系统设计的有效性,为位移系统的设计提供了依据。     

大行程纳米级两级驱动三维精密位移系统的设计

采用粗精两级驱动的方式设计了大行程纳米级三维精密位移系统。位移系统的粗驱动通过采用PID自适应控制器控制伺服电机加精密丝杠拖动一维工作台来完成,位移系统的精驱动通过层叠型的压电陶瓷位移器(PZT)来完成。采用程序控制法实现μm级和nm级两级驱动的匹配。设计了基于迈克尔逊干涉原理的可溯源的计量系统,两级驱动的定位检测都由该计量系统来检测,减小了累积误差,并运用实验验证了位移系统的有效性。     

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。     

新型纳米三坐标测量机Z轴的研制

介绍了一种新型纳米三坐标测量机Z轴的结构设计.提出了两级驱动式结构,即通过粗动与微动相结合的驱动方式实现纳米级精度.第一级粗动,采用2个NANOMOTION LS4系列大行程纳米电机从两侧同时驱动,克服了单侧驱动的不利因素,使得机构运行时更加稳定;第二级微动,采用压电陶瓷驱动,通过柔性铰链位移缩小结构将位移分辨率提高到1 nm.计算和分析表明,这种新型的两级驱动式结构可以满足纳米三坐标测量机Z向测量高精度、大行程要求.     

大量程纳米级垂直扫描系统研究

研究开发了一种大量程纳米级垂直扫描系统,该系统采用粗/精两级驱动,粗驱动子系统由滑动导轨、直流无刷电机、精密丝杠组成,精驱动子系统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。该垂直扫描系统的粗位移和精位移由同一套激光干涉位移计量系统计量。该垂直扫描系统运动范围为0～40mm,运动分辨率为5nm。     

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。     

大行程纳米级定位工作台的结构设计

考虑采用静态三步拼接曝光法的扫描干涉场曝光系统的性能与工作台的定位精度及稳定性相关,设计了一种大行程、高精度二维工作台以提高其定位精度。采用摩擦驱动和压电陶瓷微位移机构组合的方式构成宏、微进给机构,由闭式气体静压导轨带动工作台实现沿X、Y两个方向的光栅分度与扫描运动。优化设计了摩擦驱动机构和气体静压导轨结构,并对工作台整体结构固有频率进行了有限元分析。使用自准直仪检测了导轨在X、Y方向的直线性,结果显示其两方向偏航和俯仰精度均在±0.04μm以内。使用激光干涉仪检测了导轨在X方向的定位精度和定位噪声,结果表明,对X向行程为220mm、Y向行程为300mm的工作台,其X方向的定位精度优于±5nm,定位稳定性可达±25nm。得到的结果满足扫描干涉场曝光系统工作台纳米级定位精度的要求。     

柔性铰链的微动平台设计

根据高性能直线电机直接驱动宏动平台和宏/微双重驱动精密定位机构的要求,基于柔性铰链设计微动平台,实现大行程纳米级别的分辨率和定位精度;微动平台采用压电陶瓷驱动,安装于宏动平台上;整个宏/微系统采用精密绝对光栅和精密增量光栅二级位置检测以解决大行程和高分辨在检测上的矛盾问题,以此为位置反馈实现闭环控制。在平台结构设计的基础上建立系统质量刚度动力学模型,分析平台在阻尼垫块不同的情况的稳定性能。     

超精密切削用车床微量刀架系统研究

给出了一种新颖的微量车床刀架系统，该系统由PZT（piezolectrictransducer）驱动的X－Z二维微进给工作台和Y向的微调对刀装置组成。微量工作台的两个方向均采用三个弹性元件的非对称式新型结构，这种新结构使刀具安装面位于工作台的一个角落，方便了刀具的安装。Y向微调机构利用差分螺纹调节原理使粗精调集为一体，结构紧凑，调节方便。     

大行程精密定位超磁致伸缩驱动器的设计与控制

实现一种新型的固态智能材料驱动大行程精密驱动器的设计和控制。基于超磁致伸缩驱动原理和柔性铰链放大机构,采用非永磁和永磁偏置驱动器粗—精驱动组合设计,研制大行程精密超磁致伸缩组合驱动器。建立永磁偏置下的电磁、永磁复合磁场激励的驱动器位移控制系统传递函数模型,实现了粗、精分级精密定位控制方法。实现一套超磁致伸缩组合驱动器原型样机,并进行了精密定位驱动试验验证测试。试验结果证明系统模型的准确性和控制方法的有效性,样机驱动行程可达0.71 mm。并测得在温升负效应情况下,控制行程在0.6 mm范围内,所设计超磁致伸缩组合驱动器位移分辨率为±30 nm,驱动位移精度达±90 nm。研究成果可广泛用于基于固态智能材料驱动的大行程精密驱动装置的设计和实现。     

机械零件三维表面形貌测量与评定的研究

介绍了机械零件三维表面形貌的测量与评定,分析了激光干涉式位移传感器的光学原理和干涉条纹信号的细分方法.激光干涉式位移传感器的精度达到了5nm左右.另外,带计量系统的二维工作台也是整个测量系统的关键部分.因为采用了光栅尺作为二维工作台的计量系统,所以在表面形貌的测量过程中二维工作台在X和Y两个水平方向上都能获得精确的定位.     

立方体层合瓦楞复合纸板的三向静态压缩性能研究

为考察瓦楞复合纸板方向对所制作的层合结构柱脚静态压缩性能的影响,制作了重叠式和交错式两种立方体结构,采用平压性能测试方法从两种结构的三个方向分别进行了测试。研究结果表明:重叠式和交错式层合结构的压缩性能在Z向上大于X和Y向约15%,而两种不同的层合方式在X和Y向上的压缩性能差别并不是特别明显,而且在两个方向上若纸板被压溃会发生面纸剥离导致的层合结构分解。总体上交错式Z向瓦楞复合纸板更适合于作为托盘的柱脚结构。     

手工毯枪刺机械手模拟装置设计

围绕手工毯枪刺机械手的关键技术,进行了枪刺机械手模拟试验台装置的设计和计算,完成了机械手X,Y,Z方向移动的传动机构设计和驱动系统设计,该模拟试验台已用于机械手控制系统和地毯花型转换软件系统的调试。     

The NANOMEFOS non-contact measurement machine for freeform optics

Aspherical and freeform optics are applied to reduce geometrical aberrations as well as to reduce the required number of components, the size and the weight of the system. To measure these optical components with nanometre level uncertainty is a challenge. The NANOMEFOS machine was developed to provide suitable metrology (high accuracy, universal, non-contact, large measurement volume and short measurement time) for use during manufacturing of these surfaces. This paper describes the design, realization and testing of this machine. In particular it describes the design and testing of the air-bearing motion system with parallel stage configuration, and the separate metrology system with Silicon Carbide metrology frame and an interferometry system for direct displacement measurement of the optical probe. Preliminary validation measurements demonstrate the nanometer level repeatability for freeform surface measurement.     

大型精密转台高精度角度微驱动装置的研制

针对用于标定和检测的大型精密转台(要求其定位误差≤±0.5″),研制了高精度角度微驱动装置。介绍了转台的总体结构,给出了角度微驱动装置的驱动原理和构成。该角度微驱动装置主要通过一个角位移转换机构把精密直线位移转化为精密角位移来实现高的角度分辨率,其在驱动转台旋转的过程中几乎不给转台带来轴向力和径向力,因此不影响转台的轴系精度。为了满足定位要求,转台设计采用了粗精结合、二次定位的方法,即先采用力矩电机进行粗定位,然后使用角度微驱动装置来实现精定位。最后,从理论上计算了角度微驱动装置的分辨率并进行了测试和应用验证,证明此角度微驱动装置的分辨率优于0.08″,满足转台定位精度要求。     

基于线结构光的三维垂线位移测量方法

垂线测量法是观测大坝变形位移的一种简便而有效的方法,在实际大坝变形监测中得到广泛应用。 针对现有垂线坐标 仪大多只能测量垂线二维位移且结构复杂的问题,本文提出了一种基于线结构光的三维垂线测量方法。 基于垂线测量中垂线 方向不变,利用线结构光测量原理实现垂线三维位移测量。 首先,本文采用线结构光测量获取垂线二维位移,然后基于垂线上 固定标志点的成像光线和垂线相交于一点的事实,综合垂线二维测量结果和通过相机内参数恢复的固定标志点成像光线方程, 实现垂线三维位移测量。 实验结果表明,本方法在水平面内 Y 方向上的位移测量精度为±0. 1 mm,在水平面内 X 方向和竖直 Z 方向上的位移测量精度达到±0. 05 mm,测量范围为 0~ 80 mm。 相较目前垂线位移测量方法,本文方法垂线位移测量精度和测 量范围更高,且测量结构简单。     

深切口椭圆柔性铰链优化设计

考虑深切口椭圆形柔性铰链比其他常用的柔性铰链更适用于具有大行程要求的柔性机构,本文对其进行了优化设计。建立了深切口椭圆形柔性铰链的刚度模型,探讨了结构参数对其转动刚度的影响。分析了深切口椭圆柔性铰链的柔度矩阵,利用Newton-cotes求积公式简化了柔度系数的计算,在此基础上构建了多目标加权优化模型,利用模糊优化设计方法对各结构参数进行了优化设计。优化结果表明:绕Z轴旋转的角位移提高了16.72%;绕Y轴旋转角位移下降了16.01%;沿X轴、Y轴和Z轴产生的线位移分别下降了10%、29.33%和51.84%。数据显示:经过优化的柔性铰链在所期望的Z轴方向上的转动能力得到了提高,同时抑制了其他方向上的运动能力,从而提高了柔性铰链的整体运动精度和结构柔度,可用于高精密、大行程光波导封装定位平台。