大行程结构一体化二维微定位台参数化设计及实验

摘要

随着纳米技术的不断发展，微定位技术作为纳米技术的关键技术之一，已成为国内外关注的热点。以压电元件与全柔性机构相结合的微定位机构是目前常见的微定位设备。
　　本文从构型设计、运动学分析、静力学分析、参数化有限元分析及实验控制等方面，对一种大行程结构一体化二维微定位平台(后面简称微定位台)进行了较为细致和深入的研究。具体研究内容和创新成果如下：
　　(1)根据柔性机构的特点，采用微定位并联机构构型理论，在构型的多功能微驱动接口模块及二平动并联机构的基础上提出了一种新型两自由度大行程微定位平台。
　　(2)以刚度为设计目标，利用伪刚体模型法对微位移放大模块的结构尺寸进行设计，并通过有限元分析对结构尺寸进行了修正。形成了一种以刚度为目标，理论刚度模型与有限元分析相结合的微动机构结构尺寸设计方法，该方法可明确各柔性单元对机构刚度的影响，为设计者进行结构尺寸优化设计提供了一定的理论基础。
　　(3)基于柔性单元的单元刚度矩阵及矩阵位移法提出了单元刚度矩阵法，应用单元刚度矩阵法全面考虑机构中各柔性单元的变形，对微定位台进行了静力学、运动学分析，建立了微定位台刚度模型和运动学模型。
　　(4)结合VC和APDL两者优势，对微定位台参数化有限元分析方法进行了研究。编写了微定位台的APDL命令流文件，开发了人机信息交互界面，实现了微定位台全参数化驱动的有限元分析。
　　(5)对压电陶瓷驱动器的蠕变、迟滞特性进行研究，开发了压电陶瓷特性测试程序。对微定位台的工作空间、末端位移的变化曲线进行研究，开发了微定位台的性能测试程序，并在此基础上采用闭环控制方案设计开发了微定位台的控制程序。
　　通过仿真和试验，结果表明以刚度为目标的结构尺寸设计方法是可靠的，建立的微定位台的刚度模型、运动学模型接近机构的实际情况，开发的闭环控制系统可实现微定位台的精确定位。以上分析和研究为后续的结构尺寸优化设计、动力学特性研究及控制系统完善提供了理论基础。

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第一章 绪 论

1.1微定位技术概述

1.2大行程微定位技术国内外研究现状

1.3大行程微定位技术的发展趋势展望

1.4本文主要研究内容

第二章 微定位台的方案设计

2.1引言

2.2并联微定位机构

2.3新型微定位机构构型

2.4二平动微定位台方案设计

2.5本章小结

第三章 微定位台中各单元机构的刚度模型

3.1引言

3.2柔性运动副的刚度模型

3.3柔性机构的刚度分析

3.4直圆柔性铰链平行导向机构

3.5弹性折叠梁的刚度建模

3.6本章小结

第四章 以刚度为目标的结构尺寸设计

4.1引言

4.2微位移放大模块的机构描述

4.3微位移放大模块的设计计算

4.4基于有限元分析的机构参数修正

4.5本章小结

第五章 微定位台静力学及运动学分析

5.1引言

5.2微定位台刚度模型的建立

5.3微定位台运动学分析

5.4本章小结

第六章 微定位台参数化建模及有限元分析

6.1引言

6.2全柔性机构性能的分析方法

6.3基于VC与APDL的微定位台参数化设计

6.4微定位台参数化有限元分析实例

6.5本章小结

第七章 微定位台实验控制系统

7.1引言

7.2压电陶瓷特性测试

7.3微定位台测试实验系统

7.4微定位台控制系统

7.5本章小结

第八章 总结与展望

8.1总结

8.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文和参加的科研项目