橋式柔順微定位平臺(tái)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、微納米尺度的精密定位與跟蹤技術(shù)是精密加工、半導(dǎo)體制備、信息存儲(chǔ)以及生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的柔順微定位平臺(tái)，以其運(yùn)動(dòng)精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，成為目前國(guó)內(nèi)外研究和關(guān)注的重點(diǎn)。然而由于壓電陶瓷直接輸出位移較小，在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用受到一定的限制。本論文分析了柔性鉸鏈的變形機(jī)理和幾種微位移放大機(jī)構(gòu)的工作機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種基于橋式放大機(jī)構(gòu)的改進(jìn)型柔順微定位平臺(tái)，對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的輸出位移加以放大來增大微定位平臺(tái)的工作行程。

2、針對(duì)該微定位平臺(tái)，開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論建模、有限元仿真、參數(shù)優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)測(cè)試等方面的研究，具體研究工作如下:
　　設(shè)計(jì)了一種基于橋式放大機(jī)構(gòu)的改進(jìn)型柔順微定位平臺(tái)。在分析位移放大機(jī)構(gòu)及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用放大能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊的橋式機(jī)構(gòu)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的輸出位移進(jìn)行放大，同時(shí)設(shè)計(jì)四桿對(duì)稱式運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，以抑制寄生位移的影響，保證微定位平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)行程和定位精度。建立了更為精確的微定位平臺(tái)的靜/動(dòng)力學(xué)模型?？紤]負(fù)載對(duì)橋式機(jī)構(gòu)的影響，基于卡式第二

3、定理和應(yīng)變能理論建立了以柔性鉸鏈為主要特征的橋式機(jī)構(gòu)靜力學(xué)模型，基于歐拉-伯努利梁理論建立了四桿對(duì)稱式運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，綜合建立微定位平臺(tái)的整體靜力學(xué)模型，并應(yīng)用拉格朗日方程，建立了該平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型。通過與現(xiàn)有文獻(xiàn)中的研究成果對(duì)比驗(yàn)證了本文所提出模型的精確性。
　　采用有限元方法對(duì)微定位平臺(tái)及其各組成機(jī)構(gòu)的理論模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，包括放大機(jī)構(gòu)的位移放大比，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的剛度特性，以及微定位平臺(tái)的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)

4、特性，同時(shí)對(duì)平臺(tái)寄生位移的抑制效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。提出了一種多目標(biāo)綜合優(yōu)化方法優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)?；诮⒌撵o力學(xué)建模和動(dòng)力學(xué)建模所得到的平臺(tái)的性能指標(biāo)（位移放大比和固有頻率）與柔性鉸鏈尺寸參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。針對(duì)各性能指標(biāo)之間的相互制約關(guān)系，采用統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)法中的線性加權(quán)組合法，建立了柔順微定位平臺(tái)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，對(duì)平臺(tái)的靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行協(xié)調(diào)，進(jìn)一步優(yōu)化選取平臺(tái)的尺寸參數(shù)。
　　最后進(jìn)行了微定位平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試?；趦?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，加