动态特性可调的微定位平台的设计与建模

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微纳定位技术是微纳制造、微观成像、纳米压印、硬盘高密度数据存储及光刻等诸多行业的核心共性技术。相关精密工程技术的飞速发展,对微纳定位系统的性能提出了更严苛的要求。由于设计误差、仿真分析中的不确定性和加工制造过程中不可避免的误差,精密定位机构常常无法达到理想的动态特性输出,无法适应复杂环境和不同工况条件下的定位工作。这些不足都限制了精密定位机构的应用范围,因此研究人员引入动态特性可调机构来避免各种误差的影响。微定位平台是精密定位机构的关键核心部件,进行微定位平台的动态特性可调研究将会进一步促进精密定位机构的发展。针对动态特性可调的微定位平台的设计与建模,本文做了一些探索性的工作。主要内容为:基于应力刚化原理设计了一种基于桥式机构的动态特性可调的微定位平台;根据柔度矩阵、梁变形理论以及振动理论等建立了该动态平台的放大比模型、输入刚度模型和动力学模型;采用有限元的方法对动态平台的动态特性进行了仿真分析研究。本文设计的动态平台运动部分主要包括动态平台调节机构与桥式放大机构。在实现微定位平台的动态特性可调的基础上,为保证尽可能大的输出位移和较好的导向性能,本文所设计的动态平台调节机构采用对称布置的柔性板簧导向结构。根据应力刚化原理,当板簧中存在应力时,板簧的刚度将会发生变化,因此改变板簧的内应力可以实现动态平台调节机构的动态特性调节。本文以此建立了动态平台调节机构应力刚化下的输入刚度模型、一阶模态模型,并采用有限元的方法对该模型进行了验证,证明了所建理论模型的有效性。为满足高精度的应用需求,本文设计的动态平台采用具有高刚度、高分辨率和高响应速度等优点的压电陶瓷作为驱动元件。但压电陶瓷驱动器的直接输出位移约为自身长度尺寸的千分之一,为了实现较大的输出位移,采用具有高放大比、结构紧凑、易于加工等优点的桥式机构作为位移放大机构,并基于柔度矩阵建立了桥式机构的放大比模型和输入刚度模型,采用有限元的方法对所建立的理论模型进行了验证。最后推导了动态平台调节机构作为外负载的整个动态平台的放大比模型、输入刚度模型、一阶模态模型,并采用有限元的方法对动态平台的理论模型进行了验证。理论结果与有限元仿真结果的一致性表明了理论模型的准确性,对以后实际动态可调平台的设计优化具有指导意义。
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