基于粘滑驅(qū)動(dòng)原理的跨尺度納米級(jí)定位平臺(tái)研究.pdf

1、微納技術(shù)的出現(xiàn)解決了許多工業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域中存在的難題，給社會(huì)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。隨著其不斷的發(fā)展，微納技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于新材料制造、精密儀器設(shè)備制造、生物醫(yī)學(xué)和航空航天等領(lǐng)域中。微驅(qū)動(dòng)精密定位技術(shù)作為微納技術(shù)的關(guān)鍵部分，其發(fā)展水平嚴(yán)重影響了微納技術(shù)的發(fā)展。傳統(tǒng)的微驅(qū)動(dòng)精密定位技術(shù)中能夠獲得較高精度的位移，但是運(yùn)動(dòng)范圍較小。當(dāng)應(yīng)用傳統(tǒng)的微驅(qū)動(dòng)精密定位技術(shù)獲得較大行程時(shí)，其設(shè)備尺寸往往較大。然而，隨著微納技術(shù)的不斷發(fā)展，被操作對(duì)象的尺寸越來

2、越小，自動(dòng)化要求越來越高，這需要借助電子掃描顯微鏡(SEM)等工具對(duì)被操作對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀察，從而達(dá)到自動(dòng)化精確操作。但由于電子掃描顯微鏡(SEM)真空腔體積較小，傳統(tǒng)的微驅(qū)動(dòng)精密定位技術(shù)因?yàn)槌叽鐔栴}無法應(yīng)用于該設(shè)備中。因此具有納米級(jí)精度，毫米級(jí)行程，尺寸較小的新型微驅(qū)動(dòng)定位技術(shù)已經(jīng)成為微納技術(shù)中急需解決的問題。這對(duì)精密定位技術(shù)的運(yùn)動(dòng)方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)和要求。本文就是在這種背景下，提出了一種新型的跨尺度微驅(qū)動(dòng)精密定位技術(shù)—粘滑

3、驅(qū)動(dòng)技術(shù)，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析與研究。
　　本文在江蘇省杰出青年基金“基于SEM跨尺度納米操作機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)理及自動(dòng)化操作方法研究”(項(xiàng)目編號(hào)為BK2012005)資助下，針對(duì)現(xiàn)有的跨尺度精密定位技術(shù)方法及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了基于粘滑驅(qū)動(dòng)原理跨尺度納米級(jí)定位平臺(tái)設(shè)計(jì)方案。分別從粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)的設(shè)計(jì)，粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)的通用一體化動(dòng)力學(xué)模型的建立和分析，以及樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行深入研究。在定位平臺(tái)設(shè)計(jì)方面，為了使定位平臺(tái)能夠同時(shí)滿足納米

4、級(jí)精度，毫米級(jí)行程，尺寸較小的要求，本文采用了粘滑驅(qū)動(dòng)原理來設(shè)計(jì)定位平臺(tái)。定位平臺(tái)采用壓電陶瓷致動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)元件，采用平行板柔性鉸鏈作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)位移的傳遞。為了使設(shè)計(jì)的粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)能夠分別實(shí)現(xiàn)水平和垂直方向上的運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了摩擦力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。此外，摩擦力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可用于提高定位平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能。在粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)動(dòng)力學(xué)模型的建立方面，分別對(duì)驅(qū)動(dòng)元件建立電學(xué)模型和機(jī)械模型，并對(duì)驅(qū)動(dòng)元件，柔性機(jī)構(gòu)建立驅(qū)傳動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型，并結(jié)合LuGre摩擦模

5、型，建立適用于定位平臺(tái)在水平方向上運(yùn)動(dòng)和垂直方向上運(yùn)動(dòng)的通用一體化動(dòng)力學(xué)模型。在對(duì)粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真方面，分別對(duì)水平運(yùn)動(dòng)的粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)和垂直運(yùn)動(dòng)的粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，分析平臺(tái)水平和垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)參數(shù)對(duì)定位平臺(tái)的性能的影響。同時(shí)分析定位平臺(tái)實(shí)現(xiàn)垂直方向的往返運(yùn)動(dòng)時(shí)所需要滿足的條件?；谏鲜龇抡娼Y(jié)果，對(duì)粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)進(jìn)行最終結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對(duì)傳統(tǒng)的鋸齒波進(jìn)行改進(jìn)，提升定位平臺(tái)的性能。在粘滑驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)樣機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)