纳米级定位精度弹性位移缩小机构的仿真与实验

研究了一种具有纳米级定位精度的弹性位移缩小机构.该机构采用柔性铰链杠杆结构,这种弹性位移缩小机构可以将传统螺母丝杠系统精度提高到纳米级,同时非线性、迟滞误差小.首先采用刚体模型建立了弹性位移缩小机构的理论模型;然后运用ANSYS有限元软件分析了弹性位移缩小机构的特性;最后使用双频激光干涉仪对弹性位移缩小机构的输出特性进行了测量.理论与实验结果表明,理论模型可以较好地反映输入与输出的关系,可作为设计弹性缩小机构缩小率的重要依据;有限元模型计算结果与实验结果接近;实验结果表明,该装置行程可达10μm,分辨率可达10nm.

光刻投影物镜整体式XY微调整机构设计

针对光刻投影物镜XY补偿镜调整量程小、调整精度高的特点,设计了一种XY微位移并联调整机构。首先,分析圆弧形铰链切口厚度、切口半径和高度对柔度系数的影响,以指导铰链结构设计。接着,基于柔度矩阵法分析了机构各个支链的柔度和整体柔度。最后,计算了机构的输出耦合误差,并将柔度矩阵法得到的理论值和有限元法得到的结果对比。结果表明:机构在±50 N的驱动力范围内,可以实现运动行程±40.997μm,X向调整引入的Y向耦合误差小1%,机构完全解耦。由柔度矩阵法和有限元法得到的机构柔度分别为2.537μm/N和2.934μm/N,偏差为13.531%。50 N调整力作用后的镜片上表面面形未去除power前PV值为2.684 nm,RMS为0.524 nm;去除power后PV值为2.433 Nm,RMS值为0.476 nm,并且面形主要为像散。该机构满足设计指标,符合光刻投影物镜高精度XY补偿要求。

压电陶瓷驱动微进给刀架的迟滞建模

以对称式微位移缩小机构和柔性铰链相结合,压电陶瓷驱动的微进给刀架可实现精密加工,但刀架的迟滞特性影响其定位精度。该文根据非线性Preisach模型的理论知识及压电陶瓷驱动微进给刀架的电压位移特性,将模型进行修改后得到刀架迟滞特性的数学模型,并对数学模型式进行离散化处理。实验结果表明,改进后的迟滞模型形式简单,数据采集简便,模型描述精确,能较好地实现压电驱动微进给刀架的迟滞建模,提高了迟滞模型的实用性。为提高压电陶瓷驱动微进给刀架的定位精度,实现精密控制打下基础。

微半球振动陀螺的装配误差分析与精密微调机构设计

分析了微半球振动陀螺的装配误差形成机理,对装配精度要求进行了计算。在微半球结构锚点直径为1 mm的情况下,要保证装配间隙均匀度小于10%,锚点面的高度偏差需要小于0.1μm。通过数值计算和有限元模型,分别研究了装配误差对电极驱动能力、静态检测电容、静电刚度调节能力,以及1阶模态振型的影响。计算结果表明,电极间隙不均匀对检测、驱动和静电刚度修调能力的影响分别呈1、2、3次方关系,同时会引起微幅的结构偏摆。为提升电极装配间隙均匀性,设计了一种基于柔性缩小单元的微位移调节机构。该机构利用螺旋调节旋钮和柔性垫块,使石英玻璃基底产生2自由度微幅摆动,从而实现较高精度的装配。测试结果表明,微半球振动陀螺装配后平均电容误差约为30%~40%,但引入了较大的寄生电容,消除该影响后,电容平均误差为12%。