基于粘滑驅動的跨尺度精密運動平臺及其關鍵技術研究.pdf

1、微驅動技術作為當今最為活躍的納米關鍵技術之一,在眾多微納領域有著越來越廣泛的應用,如微納操作,微外科手術,掃描探針顯微鏡SPM,原子力顯微鏡AFM,光纖對接,微細加工,半導體制版的精密定位等。在現(xiàn)有的微驅動技術中,雖然定位精度較高,但是運動范圍較小。隨著微驅動技術在微系統(tǒng)制造、微納操作、光學調整等重要領域的廣泛應用,需要在有限的操作空間內實現(xiàn)高精度定位和操作的同時,也能擁有更大的操作范圍,這就對精密定位技術的驅動方法和結構類型提出了新的

2、挑戰(zhàn)和要求。本文即在這樣的研究和應用背景下,提出一種新型的基于粘滑驅動的跨尺度精密運動平臺,并對其中的關鍵技術進行研究。
　　本文在國家自然科學基金項目“基于粘滑驅動的跨尺度納米定位運動生成機理及實現(xiàn)方法”(項目編號51175358)資助下,通過全面分析國內外跨尺度精密運動技術和粘滑驅動技術,針對跨尺度精密運動技術的發(fā)展趨勢和粘滑驅動技術的現(xiàn)存問題,提出了基于粘滑驅動的跨尺度精密運動方法,并結合粘滑驅動機理和摩擦學原理,研制出一種

3、新型的基于粘滑驅動的跨尺度精密運動平臺。分別對運動機理、剛性建模、驅傳動系統(tǒng)的動力學、柔性一體化建模以及操作實驗等方面進行深入的研究。
　　在基于粘滑驅動的跨尺度精密運動機理研究方面,分析粘滑驅動的運動過程,通過分析五個頻率階段粘滑驅動的運動規(guī)律,推導出粘滑驅動在全頻率范圍內的運動方程,并得到各種運動參數(shù)對粘滑驅動的影響,從而選擇最佳的粘滑驅動方式;結合LuGre動摩擦模型,建立跨尺度精密運動剛性模型,仿真得到運動曲線和摩擦力的變

4、化規(guī)律,通過對摩擦力相關參數(shù)的研究,得到摩擦力相關參數(shù)對粘滑驅動的影響。
　　在跨尺度精密運動平臺驅傳動系統(tǒng)的動力學研究方面,首先建立壓電陶瓷的電學模型和機電轉換模型,并結合壓電陶瓷的動力學等效模型,建立壓電陶瓷的機電動力學模型;并對柔性鉸鏈傳動機構進行研究,建立了柔性鉸鏈機構的動力學方程;結合壓電陶瓷和柔性傳動機構,進行驅傳動系統(tǒng)的動力學研究,建立壓電陶瓷與柔性機構的各自的動力學方程和驅傳動系統(tǒng)的等效機電動力學模型,仿真得到驅傳

5、動系統(tǒng)的整體動態(tài)特性。
　　在基于粘滑驅動的跨尺度精密運動機電系統(tǒng)建模方面,將壓電陶瓷的電學模型,機電轉換模型,驅傳動系統(tǒng)的動力學模型和LuGre動摩擦模型相結合,建立完整的基于粘滑驅動的跨尺度精密運動柔性一體化模型,并且在柔性一體化模型中加入摩擦力和相對速度反饋環(huán)節(jié),仿真得到準確的跨尺度精密運動位移、速度和摩擦力曲線;并研究與驅傳動相關的重要參數(shù)對最終運動的影象,基于仿真結果指導跨尺度精密運動平臺的結構設計;根據(jù)理論研究的進展改

6、進樣機,最終得到具有運動范圍大,速度快,分辨率高,負載大,驅動力大和運動平穩(wěn)等優(yōu)點的最優(yōu)結構方案。
　　最后建立基于粘滑驅動的跨尺度精密運動的實驗系統(tǒng),選擇合適的測量設備,搭建動態(tài)測量和靜態(tài)微位移測量兩個實驗平臺;針對正反向運動不一致的問題,研制新型驅動電源,提高樣機平臺的動態(tài)運動性能;對驅傳動系統(tǒng)和整體樣機平臺進行性能測試,得到驅傳動系統(tǒng)的階躍特性和系統(tǒng)樣機的性能指標;測量驅動階躍時間和負載質量對運動性能的影響,通過試驗結果來提