纳米精度位移机构柔性铰链结构设计分析

摘要

先进同步辐射硬X射线纳米探针的聚焦光斑尺寸可达到10 nm级,如上海光源硬X射线纳米探针线站,其对于聚焦光学元件调节机构的运动精度、稳定性、行程和荷载等都有严格的要求。针对同步辐射硬X射线Kirkpatrick-Baez(K-B)镜纳米聚焦系统超高稳定性的要求,设计并初步验证了一种基于直圆型一维线性运动的平行连杆柔性铰链机构。利用传统的弹性力学方法对柔性铰链结构进行力学分析,获得铰链结构的受力输入与位移输出的对应关系,采用有限元模拟对其进行验证。理论分析与有限元模拟结果一致,误差约2%。进一步通过有限元模拟分析了该柔性铰链机构在载荷情况下的稳定性。并对3D打印的柔性铰链机构样机进行了测试,该样机实现了0.2 mm运动行程,位置稳定性达到±1.1 nm(均方根误差)。分析和测试结果表明:本文设计的柔性铰链机构具备合适的行程、良好的动态特性和非常高的稳定性,将有助于在国内自主研发同步辐射纳米聚焦光学元件调节机构。