基于压电陶瓷驱动的白光干涉仪用柔性铰链的设计与分析

摘要

柔性铰链具有体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高、导向精度高等诸多特点,被广泛地应用于精密机械、精密测量、精密天平、微纳米技术等领域,并获得了前所未有的高精度和稳定性。垂直扫描白光干涉仪是基于光的干涉原理而研制,由于具有高精度、高速度、高稳定性、非接触测量等优点,被广泛地用于纳米测量、表面粗糙度测量、超精密表面轮廓测量、光学系统评价等光学检验的领域中,其系统中的微位移定位机构的柔性铰链的性能对干涉仪的测量精度具有重要的影响。
　　本文基于研制的用于金刚石砂轮表面形貌测量的压电陶瓷驱动的垂直扫描白光干涉三维形貌测量仪,设计了该仪器系统中微位移工作台的柔性铰链机构,并以其为研究对象进行了建模、静力学性能与动力学特性分析、实验研究等方面的研究工作。主要内容包括:
　　首先,根据力学和微积分方程推导了三种常用柔性铰链转动刚度的一般计算公式,并给出了这三种常用柔性铰链转动刚度。通过公式定量地分析了铰链参数对转动刚度的影响,并进行静力学分析。
　　其次,深入研究了柔性铰链的动力学特性。建立了柔性铰链的动力学模型,研究了机构参数对动力学性能的影响;分析了柔性铰链的固有频率和敏感度;分析了柔性铰链的应力及应变,给出了柔性铰链最大动应力及其发生的位置。
　　再次,通过对柔性铰链的变形进行了仿真与分析,研究了柔性铰链刚度及动力学特性之间的内在关系。
　　最后,根据垂直扫描白光干涉仪的结构参数和性能参数,设计了柔性铰链机构。用Pro/Engineer对柔性铰链机构进行了建模,给出了有限元法分析柔性铰链机构的方法和步骤,并进行仿真分析,对仿真结果与理论结果进行了分析和对比,验证了柔性铰链机构的有效性和正确性。

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第1章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 课题的来源及主要研究内容

第2章 压电陶瓷驱动的微位移工作台

2.1 引言

2.2 微位移工作台的结构

2.3 压电陶瓷驱动器（PZT）

2.4 压电陶瓷驱动的微位移工作台的设计

第3章 柔性铰链的刚度特性分析

3.1 柔性铰链的应用背景

3.2 柔性铰链的刚度计算

3.3 柔性铰链的有限元建模与分析

3.4 结论

第4章 基于Pro/E建模的柔性铰链的动态分析

4.1 柔性铰链的时域分析（谐响应分析）

4.2柔性铰链的冲击分析（瞬态动力学分析）

4.3 柔性铰链的柔性铰链的敏感度

第5章 基于白光干涉仪用柔性铰链的设计分析

5.1 柔性铰链结构设计

5.2 微位移工作台性能测试

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究与展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果