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基于粘滑原理的跨尺度精密驱动定位平台研究

王勇  
【摘要】:纳米技术的迅速发展要求日益复杂的纳米操纵策略。其中纳米尺度的物体和材料的自动化精确操纵是纳米技术基本研究手段之一。例如在微外科手术,扫描探针显微镜SPM操作,光纤对接,微细加工,半导体制版等领域,微驱动精密定位技术有着越来越广泛的应用。与传统精密定位技术相比,由于纳米操作对象的尺度特征微小,除需要借助扫描电子显微镜(SEM)对被操作对象的观察、识别和监测外,操作中用于操作对象定位、调整的纳米操作手也要求具有纳米级的定位精度和毫米级的运动行程,而且本身的尺寸和体积也提出了更高要求。具有纳米级定位精度、毫米级运动行程、体积较小的跨尺度纳米定位技术已经成为纳米尺度操作必须解决的关键技术,微驱动跨尺度精密运动的生成与实现方法研究具有重要理论意义和实用价值。 本文从粘滑驱动机理研究入手,建立粘滑驱动的理论模型,以压电陶瓷驱动和柔性铰链的动力学模型为基础,综合考虑压电陶瓷与柔性铰链之间的刚度特性。基于对压电陶瓷迟滞性能分析和柔性铰链建模分析的基础上,对整体结构进行仿真分析。并且针对现有粘滑驱动精密定位的现有问题,提出结构设计及优化方案,最终研制样机并通过实验验证理论分析的正确性。 在粘滑驱动的跨尺度运动机理研究方面,根据粘滑驱动原理,了解主动部分与从动部分之间的运动关系,研究基于粘滑驱动的跨尺度运动生成机理,分析粘滑驱动的运动过程,了解在粘滑驱动过程中部件在不同驱动阶段中的表现。 在驱传动系统研究方面,建立压电陶瓷以及柔性铰链的动力学模型,了解压电陶瓷和柔性铰链各自的动态特性。同时对平台整体进行一体化建模,为设计提供理论依据。 在系统设计及实验方面,根据对粘滑驱动系统理论研究的结果,指导粘滑驱动平台的结构设计,针对目前负载变化影响以及预紧力控制的问题,设计出新型的平台结构。并且通过实验,对驱传动系统进行测量,验证驱传动系统动力学模型的正确性;对运动性能进行测量,得到位移和速度的变化曲线,以及粘滑驱动系统的分辨率等性能指标;并测试阶跃时间,负载质量等运动参数对粘滑驱动的影响,通过不同参数的测试结果与理论模型和仿真结果进行对比分析,建立粘滑驱动的效果评价标准。


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