黏滑驱动式小型精密运动平台

为满足微纳操作系统对精密驱动技术的需求,本文提出了一种基于黏滑原理的小型精密运动平台。该平台将柔性铰链、惯性质量块以及弹性元件结合为独立的定子基座,并与压电叠堆、陶瓷球固连为定子,安装在平台基座底部,通过螺钉调节弹性元件端部垂直方向的位置,就可以改变定子与移动台间的预压力,进而获得最佳的驱动力。为研究黏滑驱动的运动机理,分析各参数对平台运动的影响,进行了力学建模;而摩擦力作为黏滑驱动的关键因素,为了能准确地表达黏滑驱动的摩擦机理,在力学建模中引入了LuGre摩擦模型,并利用Matlab/Simulink软件进行了仿真分析。设计加工的黏滑驱动平台的整体尺寸为40mm×40mm×18mm,质量为32g。试验表明:该平台最小可实现10nm的运动步长,速度最高可达2.5mm/s,行程为22mm。

基于黏滑驱动的球基微操作器的频响分析

在简化球面高副连接的条件下,建立了球基微操作器双质量摩擦振子简化工程模型。采用Fourier级数以及谐波平衡的方法分析了带有非线性环节的双质量摩擦振子的频响特性,同时利用MATLAB仿真给出数值解。开展了运动测试实验,进一步验证了分析的正确性。仿真与实验结果表明,基于黏滑驱动机理的球基微操作器在中低频段有较稳定的驱动性能,驱动频率应选中低频。此研究结果为微操作器的控制提供了参考和依据。

等腰梯形压电黏滑直线驱动器设计与试验研究

提出了一种等腰梯形压电黏滑直线驱动器,通过粘贴在等腰梯形柔性机构柔性斜梁两侧的4片矩形压电陶瓷片使驱动足驱动滑块,以达到基于黏滑运动的高分辨率和大行程线性运动。调整等腰梯形柔顺机构斜梁的角度,可使驱动足产生横向运动,基于有限元方法,获得了柔性梁的适当角度。通过等腰梯形柔性铰链驱动足的横向运动,可增加使滑块前进的静摩擦力,减少回退动摩擦力。搭建了试验测试系统并进行了一系列试验,结果表明,该样机在4 N锁定力下最大输出速度为601.803μm/s,最大输出力为2.8 N,最小步进距离为0.026μm。采用压电陶瓷片作驱动源,易于小型化,拓宽了压电陶瓷片的应用领域。

基于黏滑运动原理的单自由度纳米定位台设计与动力学分析

为解决基于扫描电镜纳米操作系统定位驱动方面的关键技术,分别研制能够实现水平定位和垂直定位的单自由度纳米定位台。定位台采用黏滑驱动原理,驱动机构采用柔性铰链设计,O形调节圈的引入既实现摩擦力的精密调节又保证整体结构的紧凑。为研究黏滑驱动原理和辅助纳米定位台设计,建立单自由度纳米定位台的动力学模型。考虑压电陶瓷的动态特性和摩擦力的非线性变化,对压电驱动模型进行线性化处理,引入LuGre模型实现对摩擦力的表达。试验结果表明该动力学模型能够有效地描述黏滑定位台的运动状态。单自由度水平和垂直纳米定位台的最大外形尺寸分别为24 mm×24 mm×17 mm和24 mm×24 mm×34 mm,均具有8 nm定位分辨率和50 mm行程,最大负载质量可达66 g。利用所设计的两种纳米定位台搭建基于SEM的双探针纳米操作系统,纳米线双探针操作试验表明该两种纳米定位台完全满足SEM下进行纳米操作的要求。