基于粘滑驅(qū)動的跨尺度精密運(yùn)動平臺及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、微驅(qū)動技術(shù)作為當(dāng)今最為活躍的納米關(guān)鍵技術(shù)之一,在眾多微納領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用,如微納操作,微外科手術(shù),掃描探針顯微鏡SPM,原子力顯微鏡AFM,光纖對接,微細(xì)加工,半導(dǎo)體制版的精密定位等。在現(xiàn)有的微驅(qū)動技術(shù)中,雖然定位精度較高,但是運(yùn)動范圍較小。隨著微驅(qū)動技術(shù)在微系統(tǒng)制造、微納操作、光學(xué)調(diào)整等重要領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,需要在有限的操作空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度定位和操作的同時(shí),也能擁有更大的操作范圍,這就對精密定位技術(shù)的驅(qū)動方法和結(jié)構(gòu)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(yīng)用背景下,提出一種新型的基于粘滑驅(qū)動的跨尺度精密運(yùn)動平臺,并對其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。
　　本文在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于粘滑驅(qū)動的跨尺度納米定位運(yùn)動生成機(jī)理及實(shí)現(xiàn)方法”(項(xiàng)目編號51175358)資助下,通過全面分析國內(nèi)外跨尺度精密運(yùn)動技術(shù)和粘滑驅(qū)動技術(shù),針對跨尺度精密運(yùn)動技術(shù)的發(fā)展趨勢和粘滑驅(qū)動技術(shù)的現(xiàn)存問題,提出了基于粘滑驅(qū)動的跨尺度精密運(yùn)動方法,并結(jié)合粘滑驅(qū)動機(jī)理和摩擦學(xué)原理,研制出一種

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

4、化規(guī)律,通過對摩擦力相關(guān)參數(shù)的研究,得到摩擦力相關(guān)參數(shù)對粘滑驅(qū)動的影響。
　　在跨尺度精密運(yùn)動平臺驅(qū)傳動系統(tǒng)的動力學(xué)研究方面,首先建立壓電陶瓷的電學(xué)模型和機(jī)電轉(zhuǎn)換模型,并結(jié)合壓電陶瓷的動力學(xué)等效模型,建立壓電陶瓷的機(jī)電動力學(xué)模型;并對柔性鉸鏈傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究,建立了柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的動力學(xué)方程;結(jié)合壓電陶瓷和柔性傳動機(jī)構(gòu),進(jìn)行驅(qū)傳動系統(tǒng)的動力學(xué)研究,建立壓電陶瓷與柔性機(jī)構(gòu)的各自的動力學(xué)方程和驅(qū)傳動系統(tǒng)的等效機(jī)電動力學(xué)模型,仿真得到驅(qū)傳

5、動系統(tǒng)的整體動態(tài)特性。
　　在基于粘滑驅(qū)動的跨尺度精密運(yùn)動機(jī)電系統(tǒng)建模方面,將壓電陶瓷的電學(xué)模型,機(jī)電轉(zhuǎn)換模型,驅(qū)傳動系統(tǒng)的動力學(xué)模型和LuGre動摩擦模型相結(jié)合,建立完整的基于粘滑驅(qū)動的跨尺度精密運(yùn)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(zhǔn)確的跨尺度精密運(yùn)動位移、速度和摩擦力曲線;并研究與驅(qū)傳動相關(guān)的重要參數(shù)對最終運(yùn)動的影象,基于仿真結(jié)果指導(dǎo)跨尺度精密運(yùn)動平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);根據(jù)理論研究的進(jìn)展改

6、進(jìn)樣機(jī),最終得到具有運(yùn)動范圍大,速度快,分辨率高,負(fù)載大,驅(qū)動力大和運(yùn)動平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案。
　　最后建立基于粘滑驅(qū)動的跨尺度精密運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),選擇合適的測量設(shè)備,搭建動態(tài)測量和靜態(tài)微位移測量兩個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺;針對正反向運(yùn)動不一致的問題,研制新型驅(qū)動電源,提高樣機(jī)平臺的動態(tài)運(yùn)動性能;對驅(qū)傳動系統(tǒng)和整體樣機(jī)平臺進(jìn)行性能測試,得到驅(qū)傳動系統(tǒng)的階躍特性和系統(tǒng)樣機(jī)的性能指標(biāo);測量驅(qū)動階躍時(shí)間和負(fù)載質(zhì)量對運(yùn)動性能的影響,通過試驗(yàn)結(jié)果來提