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基于新型菱形放大机构的微位移工作台结构研究

方小东  
【摘要】:近年来,随着科学技术的迅猛发展,人们的研究从宏观领域扩展到微观领域,尤其是在光学、生物工程和微电子技术等学科,被操作对象正不断地向微小化发展,因而对精密机械和仪器的小型化与精度要求越来越高,对高精度微位移操作系统的研制提出了迫切的要求。微位移技术在尖端工业生产和科学研究领域内占有极其重要的地位,受到了国内外的广泛重视和深入研究。现有微位移工作台均具有较高的工作精度,但它们的工作行程较小,应用受到一定限制。本文提出并设计了一种新型微位移工作台,以菱形放大机构对驱动元件的输出位移进行放大,增大微位移工作台的工作行程,使其应用范围更加广泛。 本文所作的主要工作如下: (1)本文采用MTp型压电陶瓷驱动器作为驱动装置,并对其迟滞、非线性等特性进行了研究,根据实验数据计算出空载下其迟滞和非线性误差。同时,对传动机构采用的柔性铰链进行理论分析,得出其转动刚度计算公式,并应用有限元方法对公式计算进行验证。 (2)因压电陶瓷驱动器输出位移较小,为了获得较大的输出位移,本文通过对比选型,提出了一种理论上放大12倍的菱形放大机构,并采用有限元静力学分析方法对其结构各参数进行优化。之后,对确定参数后的菱形放大机构运用有限元方法进行最大应力和模态分析,对其可行性和安全性做了进一步验证。 (3)根据所采用的驱动装置、菱形放大机构以及导向机构等,最终确定了微位移工作台的总体结构,设计出一种基于新型菱形放大机构的微位移工作台。利用材料力学理论,获得工作台的危险截面处最大应力、刚度和固有频率等重要参数的计算公式,并通过已知的选用参数求值。然后采用有限元方法进行验证,确保工作台设计的合理性。 (4)本文试制了微位移工作台系统并进行实验,将实验结果与理论计算结果进行比较,实验所获得的微位移工作台实际输出位移的放大倍数约为5.85倍,与设计的菱形放大机构理论值12倍有一定差距。最后对误差原因进行分析,并提出相应的改进方法来提高工作台的性能。


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