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.     

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.     

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。     

适合于纳秒激光微加工的压电陶瓷微位移平台

针对纳秒激光微加工的具体要求,设计了一种压电陶瓷的微位移工作台控制系统,它是由压电陶瓷、柔性铰链机构和DSP控制系统组成。基于TMS320VC33的DSP作为控制中心,主要用于对采集到的位移信号进行处理,通过PID算法控制微动平台的移动距离。将该微位移平台安装在纳秒激光微加工机上,与原系统配合进行加工,可以有效改善微结构加工的效果。     

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.     

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。     

压电陶瓷驱动器蠕变特性的研究

压电陶瓷驱动器具有位移分辨率高、体积小、响应快、输出力大、不发热等优点，但其固有的迟滞、蠕变和非线性，严重影响了它的定位精度。在大行程微动工作台中，需要借助于位移放大机构来克服压电陶瓷驱动器位移行程小的缺点，但放大机构在放大位移的同时，也放大了压电陶瓷蠕变和迟滞误差的影响。本文通过对一种大行程压电陶瓷微动工作台蠕变特性的研究性实验，得到了该机构的蠕变特性曲线，找到了压电陶瓷驱动器蠕变的规律，为进一步修正和减少蠕变误差的影响、提高系统的定位精度，提供了科学的依据。     

三角放大型压电陶瓷微纳米驱动机构

提出了一种基于小压电陶瓷条的三角放大型微纳米驱动机构。该机构由两个1.6 mm×1.6 mm×5.0 mm的小压电陶瓷条、三角对称型伸缩臂、大顶角柔性铰链（扫描端）及基座组成,由小压电陶瓷条驱动伸缩臂运动,基于大顶角三角形的放大原理,获得高放大倍率的扫描端输出位移。理论分析与有限元仿真表明,当三角对称型伸缩臂与底边的夹角为6°时,扫描端的位移量与小压电陶瓷条的伸缩量之比可达9倍左右;当驱动电压为80 V时,相比于小压电陶瓷条的伸缩量3.2μm,扫描端的位移量理论值可达29.5μm。显微运动测量实验表明,在相同驱动电压下,扫描端的实际位移量达到26.6μm,实际位移放大倍数达到8.3倍。将该机构作为原子力显微镜的慢轴扫描器,成功实现了基于小压电陶瓷条的宽范围原子力显微镜扫描成像（4μm×26μm）,具有良好的分辨率、对比度和线性度。该机构具有原理新颖、结构简洁、成本低廉、性能优越等特点,可望在光学、精密机械及微纳米技术领域获得广泛的应用。     

异形销孔加工及控制方法研究

简述了采用活塞异形销孔的必要性及其结构特点。提出一种新型活塞异形销孔数控加工方法，该方法采用一个基于压电陶瓷驱动的柔性铰链机构来实现镗刀的径向微位移。分析了柔性铰链加工误差对镗杆微位移误差的影响，着重讨论了压电陶瓷驱动器磁滞现象的消除方法。结果表明压电陶瓷驱动的柔性铰链微动机构能够满足异形销孔的加工要求。     

柔性铰链微位移放大机构工作性能仿真

为了获得足够的机器人工作空间 ,微动并联机器人平台之间的支链均采用了基于柔性铰链的微位移放大机构。本文对微位移放大机构设计方案进行仿真分析。确保压电执行器既不会被弹性力封锁 ,柔性铰链处的应力也不超过许用应力。根据仿真结果设计的微位移放大机构保证了微动并联机器人的工作性能。     

Nano positioning control for dual stage using minimum order observer

A nano positioning control is developed using the ultra-precision positioning apparatus such as actuator, sensor, guide, power transmission element with an appropriate control method. Using established procedures, a single plane X-Y stage with ultra-precision positioning is manufactured. A global stage for materialization with robust system is combined by using an AC servo motor with a ball screw and rolling guide. An ultra-precision positioning system is developed using a micro stage with an elastic hinge and piezo element. Global and micro servos for positioning with nanometer accuracy are controlled simultaneously using an incremental encoder and a laser interferometer to measure displacement. Using established procedures, an ultra-precision positioning system (100 mm stroke and ±10 nm positioning accuracy) with a single plane X-Y stage is fabricated. Its performance is evaluated through simulation using Matlab. After analyzing previous control algorithms and adapting modern control theory, a dual servo algorithm is developed for a minimum order observer to secure the stability and priority on the controller. The simulations and experiments on the ultra precision positioning and the stability of the ultra-precision positioning system with single plane X-Y stage and the priority of the control algorithm are secured by using Matlab with Simulink and ControlDesk made in dSPACE.     

蠕动式X—Y—θ微动工作台的设计实现

提出了一种新颖的X-Y-θ微动工作台。利用单一压电元件驱动及柔性铰链机构传动获得平面上3个自由度的运动,并与电磁夹紧机构配合实现蠕动式进给,使平面工作台具有高的位移分辨率、大的工作行程和简洁的结构。工作台的核心部件柔性铰链传动机构采用对称设计,有利于运动的导向。通过力学分析,对柔性铰链机构进行了参数选择。测试了工作台的性能,柔性铰链机构刚度的实测值同理论值接近。运动速度大于10um/s,位移分辨率小于0.1um。     

压电微位移台的动态迟滞建模及实验验证

为了提高压电微位移平台快速定位的精确度,建立了一种表征压电微位移平台驱动电压与输出位移关系的定位模型。考虑压电工作台在快速、大行程精确定位过程中会受压电陶瓷迟滞特性及本身动态特性的影响,本文采用BoucWen模型描述压电陶瓷迟滞特性,并结合压电工作台的动态特性进行共同建模,使模型同时体现压电工作台的动态特性与迟滞特性。为了验证模型的正确性,搭建了基于压电微位移平台和相关驱动器的实验设备对模型进行了实验验证,并进行了测控程序的二次开发。研究结果表明,与单纯的Bouc-Wen模型相比,提出模型在最大位移输出为40μm,输入电压频率为40Hz时的最大误差由3.04μm下降到了0.67μm,此时最大相对误差为1.68%。得到的结果验证了提出的模型可较好地模拟压电工作台的迟滞特性与动态特性,大大提高压电微位移平台在快速、大行程定位中的精确度。     

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。     

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。     

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。     

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。     

Analysis and experiments of a novel and compact 3-DOF precision positioning platform

A novel 3-DOF precision positioning platform with dimensions of 48 mm×50 mm×35 mm was designed by integrating piezo actuators and flexure hinges. The platform has a compact structure but it can do high precision positioning in three axes. The dynamic model of the platform in a single direction was established. Stiffness of the flexure hinges and modal characteristics of the flexure hinge mechanism were analyzed by the finite element method. Output displacements of the platform along three axes were forecasted via stiffness analysis. Output performance of the platform in x and y axes with open-loop control as well as the z-axis with closed-loop control was tested and discussed. The preliminary application of the platform in the field of nanoindentation indicates that the designed platform works well during nanoindentation tests, and the closed-loop control ensures the linear displacement output. With suitable control, the platform has the potential to realize different positioning functions under various working conditions.     

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。