高速高精度宏微双驱动运动平台结构优化设计

摘要

大行程高速高加速度精密定位技术是微电子制造、超精密加工、精密测量等领域快速发展的基础。在芯片封装行业，随着芯片引脚间距的减小及生产效率要求的提高，对封装设备的定位精度、速度和加速度提出很高的要求。超精密加工行业，由于有些精密零件的尺寸较大，要求加工设备在具备精密定位能力的同时还要有足够的行程。因此，开展大行程、高速、高加速度、精密定位平台的研究具有重大的理论和现实意义。
　　课题基于宏微双驱动技术搭建了大行程、高速、高定位精度的一维运动平台。通过直线电机实现大行程的要求，精密海德汉光栅测量宏动的位移误差，压电陶瓷驱动器驱动柔性铰链平台补偿位移误差实现平台的高精度定位。
　　宏微双驱动一维运动平台机械结构主要包括五个部分:直线电机、连接架、柔性铰链平台、光栅尺、导轨。宏微双驱动平台以高速、高加速度重复定位时，宏动平台质量越轻产生的残余振动越小。基于拓扑优化设计对连接架和柔性铰链平台进行材料去除，达到轻量化的目标。在保证连接架刚度、应力、一阶固有频率情况下对连接架进行尺寸优化，得到最优尺寸。
　　运动平台的微动部分采用具有无间隙、无噪音、无需润滑、高分辨率等特点的柔性铰链机构。通过MATLAB计算得到满足系统刚度和强度的柔性铰链尺寸参数。基于有限元软件ANSYS的拓扑形状优化和尺寸优化确定满足刚度、强度和固有频率要求的微动平台结构。采用有限元热分析方法，构建宏微运动平台的热-结构耦合分析模型，对宏微运动平台的连接架及柔性铰链平台开展热特性分析。耦合场分析结果发现，相比无温度场载荷条件，连接架及柔性铰链平台的变形量增大。基于灵敏度分析对运动平台的关键部件连接架进行尺寸优化。补充了传统的仅考虑结构载荷影响的方法，为运动平台的超精密定位和稳定运行提供更为全面的分析。
　　文章最后使用Analyzer AZ804-B测试仪对所设计的一维宏微双驱动平台整机进行了性能验证。主要验证了平台宏动部分的速度跟随性、微动部分的速度跟随性、平台加速度跟随性、微动平台振动幅值特性等。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源及背景

1．2 课题研究的问题及要达到的目标

1．3 国内外研究现状

1．4 本课题的创新点

1．5 本章小结

第二章 宏微运动平台整体结构设计概要

2．1 平台的设计目标

2．2 运动平台整体架构介绍

2．3 运动平台设计要点

第三章 宏微双驱运动平台连接架设计

3．1 连接架初步结构确立

3．2 平台连接架静力分析

3．3 平台连接架拓扑优化设计

3．3．1 拓扑优化设计理论

3．3．2 基于ANSYS的拓扑优化方法

3．3．3 基于ANSYS的连接架拓扑优化设计

3．4 平台连接架尺寸优化

3．5 平台连接架装配工艺设计

3．6 本章小结

第四章 柔性铰链微平台设计

4．1 微动平台的设计要求

4．2 柔性铰链的结构类型

4．3 柔性铰链材料的选取

4．4 柔性铰链微动平台的分析设计

4．4．1 双平行四杆机构柔性铰链转角刚度理论计算

4．4．2 柔性铰链微平台系统刚度要求

4．4．3 柔性铰链微平台建模及有限元仿真分析

4．4．4 柔性铰链的加工工艺

4．5 本章小结

第五章 宏动平台设计

5．1 宏动平台模型初步设计

5．2 宏动平台优化设计

5．2．1 宏动平台拓扑优化设计

5．2．2 宏动平台有限元静力分析

5．2．3 宏动平台有限元模态分析

5．3 本章小结

第六章 宏动平台和连接架装配体分析

6．1 装配体静力分析

6．2 装配体模态分析

6．3 装配体惯性位移分析

6．4 宏微运动平台热-结构耦合分析及灵敏度分析优化

6．4．1 连接架温度场有限元理论

6．4．2 连接架及柔性铰链平台有限元分析

6．4．3 稳态温度场分析

6．4．4 热-结构耦合分析

6．5 基于耦合场的运动平台连接架灵敏度分析

6．6 基于耦合场的运动平台连接架优化设计

6．7 本章小结

第七章 平台设计总结及实验验证

7．1 宏动平台设计总结

7．2 宏微平台动态特性测试

7．3 本章小结

结论和展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

声明

致谢