橋式柔順微定位平臺的設(shè)計、優(yōu)化與實驗研究.pdf

1、微納米尺度的精密定位與跟蹤技術(shù)是精密加工、半導體制備、信息存儲以及生物醫(yī)學工程等眾多領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。壓電陶瓷驅(qū)動的柔順微定位平臺，以其運動精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，成為目前國內(nèi)外研究和關(guān)注的重點。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理和幾種微位移放大機構(gòu)的工作機理，設(shè)計了一種基于橋式放大機構(gòu)的改進型柔順微定位平臺，對壓電陶瓷驅(qū)動器的輸出位移加以放大來增大微定位平臺的工作行程。

2、針對該微定位平臺，開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論建模、有限元仿真、參數(shù)優(yōu)化和實驗測試等方面的研究，具體研究工作如下:
　　設(shè)計了一種基于橋式放大機構(gòu)的改進型柔順微定位平臺。在分析位移放大機構(gòu)及導向機構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用放大能力強、結(jié)構(gòu)緊湊的橋式機構(gòu)對驅(qū)動器的輸出位移進行放大，同時設(shè)計四桿對稱式運動導向機構(gòu)，以抑制寄生位移的影響，保證微定位平臺的運動行程和定位精度。建立了更為精確的微定位平臺的靜/動力學模型?？紤]負載對橋式機構(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構(gòu)靜力學模型，基于歐拉-伯努利梁理論建立了四桿對稱式運動導向機構(gòu)的靜力學模型。在此基礎(chǔ)上，綜合建立微定位平臺的整體靜力學模型，并應(yīng)用拉格朗日方程，建立了該平臺的動力學模型。通過與現(xiàn)有文獻中的研究成果對比驗證了本文所提出模型的精確性。
　　采用有限元方法對微定位平臺及其各組成機構(gòu)的理論模型進行了仿真驗證，包括放大機構(gòu)的位移放大比，運動導向機構(gòu)的剛度特性，以及微定位平臺的靜力學和動力學

4、特性，同時對平臺寄生位移的抑制效果進行了評價。提出了一種多目標綜合優(yōu)化方法優(yōu)化設(shè)計平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)?；诮⒌撵o力學建模和動力學建模所得到的平臺的性能指標（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。針對各性能指標之間的相互制約關(guān)系，采用統(tǒng)一目標函數(shù)法中的線性加權(quán)組合法，建立了柔順微定位平臺的多目標優(yōu)化模型，對平臺的靜動態(tài)特性進行協(xié)調(diào)，進一步優(yōu)化選取平臺的尺寸參數(shù)。
　　最后進行了微定位平臺的實驗測試。基于優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，加