用于光学调整的二维纳米级微动台的设计分析

研究开发了一种用于光学调整的二维压电驱动的纳米级微动工作台,建立了工作台的力学模型,并利用结构力学理论推导出工作台沿X、Y方向刚度及前二阶固有频率的解析式。通过微动工作台固有频率及沿X、Y方向刚度的实验测试,验证了解析方法和有限元方法用于微动工作台设计分析的可行性。有限元分析结果表明,可通过改变直角平板柔性铰链的特征参数,达到控制和优化工作台固有频率、输出位移、应力分布及驱动力响应的目的,并提出一种初选微动工作台柔性铰链参数的简易方法。     

一新型3自由度柔性微动平台的设计和分析

为解决微定位平台大行程与高精度之间的矛盾,本文设计一新型柔性精密微动平台,并利用螺旋理论对其进行相应的运动特性分析。该柔性微动平台是将三个柔支链构分别作用于工作台的三个轴向上,对柔性机构施加相应的力,使工作台做相应的移动。通过对该平台的有限元分析,获取施加力与各个轴向位移的关系,及输入位移与输出位移之间关系,以使该柔性微动平台达到微米级定位精度的目的。     

柔性铰链的设计计算

推导出了一般柔性铰链的系列设计计算公式和直圆柔性铰链的系列设计计算公式。计算公式是精确的推导结果,且在表达上较为简洁,有利于柔性铰链刚度(柔度)的计算和分析。与迄今沿用的J. M. Paros的柔性铰链设计计算公式进行了计算比较,说明了设计计算公式的简洁性、准确性和全面性。尤其是对常用的直圆柔性铰链的系列设计计算公式,更突出其既精确又简单的特点。同时指出了柔性铰链设计计算中应当注意的问题。     

同步辐射光束线中柔性铰链的设计

为同步辐射光束线设计了一种新型的柔性铰链——直圆倒角复合柔性铰链。分析计算并通过实验验证了直圆倒角复合柔性铰链性能。与直圆柔性铰链相比,直圆倒角复合柔性铰链具有柔度大、转动精度高等优点,可在不损失精度的情况下大大提高微调机构的柔性;在要求最大转角一定的情况下,可大大降低对作动器驱动能力的需求,也使得机构内的应力大为减小。     

双轴椭圆柔性铰链的设计计算

利用矩阵论、能量法、卡氏第二定理和微积分的知识推导出了双轴椭圆柔性铰链设计计算公式,并用有限元分析方法对所推导的公式进行了验证。实际应用和ANSYS软件分析的结果表明了所推导的双轴椭圆柔性铰链的柔度计算公式是正确的,是可以用于实际双轴椭圆柔性铰链的设计计算的。     

用于X射线干涉纳米测量的微动工作台的有限元分析

Ｘ 射线干涉纳米测量系统要求分析器的俯仰角为１０－ ８ｒａｄ量级,侧滑角为１０－ ６ｒａｄ量级,为此设计了对称式高精度微动工作台,并利用有限元分析软件对设计的结构形式进行了分析,旨在找出影响其性能参数的主要因素,进而实现微动工作台的优化设计     

一种并联微动工作台柔性机构的理论设计方法

文章分析一种平面3RRR并联微动台的理论设计方法,利用微动台的运动范围、分辨力,柔性铰链的转动刚度、许用应力等设计指标,讨论了柔性机构各尺寸与这些设计指标之间的关系,在充分发挥压电陶瓷和并联机器人原理的优势上,初步完成了整个柔性机构的构建,为之后的进一步优化创造了条件.     

新型柔性铰链的柔度计算

在力或力矩作用下,柔性铰链将会产生相应的微弹性变形,其柔度性能是表征载荷与形变关系的量度,直接影响着柔性铰链的运动精度和综合性能.目前柔性铰链的设计一般基于繁琐的数值积分方法和有限元技术来计算柔性铰链的性能指标.在提出一种新型柔性铰链的基础上,基于弹性静力学基本公式和微积分理论,推导出一种新型柔性铰链的柔度计算公式,为新型柔性铰链的设计提供了理论依据;严格推导出柔性铰链中心轴线上任意位置的变形公式,实现了柔性铰链的精确设计计算.采用ANSYS软件对理论公式的准确性进行验证,两种结果十分吻合.     

六维宏微位移可控精密工作台的研制

研制了一种六维宏微位移可控精密工作台。设计中采用粗精分离的原则,有利于提高工作台的精度,并减小了研制难度。宏位移使用精密燕尾导轨结构。微定位系统使用了压电陶瓷驱动器、柔性铰链和计算机控制,使系统具有极高精度的补偿定位能力。该工作台可在 100mm 范围内运动,平移分辨力为 0.05μm,转动分辨力为 0.3″。     

单边直圆柔性铰链转动刚度的精确计算公式

柔性铰链无摩擦、无回退空程,在众多领域得到应用.单边直圆柔性铰链在要求结构尽可能紧凑的柔性铰链机构中被采纳.通过力学的分析和微积分的推导,得到了单边直圆柔性铰链转动柔度(刚度)的解析计算公式.验证了解析计算公式的准确性,并分析了现有公式的不足.给出的解析计算公式既简洁又精确,有利于单边直圆柔性铰链及其机构的计算、分析和优化.     

直角柔性铰链的力学特性

为了深入分析精密传动用柔性铰链的机械性能,在研究常用结构形式柔性铰链力学特性的基础上,对变形敏感的直角柔性铰链的力学特性进行了分析．建立了直角柔性铰链空间力学模型,推导了空间刚度矩阵表达式．在此基础上。从柔性铰链基本结构尺寸等方面研究了影响柔性铰链刚度性能的因素,研究发现影响柔性铰链变形性能的刚度系数与柔性铰链几何尺寸参数和构成柔性铰链材料的弹性模量密切相关．研究表明,当柔性铰链的有效长度增加或材料的弹性模量降低时,其各方面的刚度系数均有不同程度的降低．研究工作对深入分析柔性铰链力学特性、优化设计压电驱动器结构,提高其综合性能具有一定的意义．     

典型柔性铰链回转精度性能计算与分析

针对柔性铰链转动中心偏移引起的误差,推导了柔性铰链回转精度计算的数学模型,以力学卡氏第二定理和微积分为理论基础,通过建立恰当的坐标系,推导出典型柔性铰链转动中心精度的统一解析形式,并用推导的解析式计算了单边直圆、单边抛物线和单边正割曲线形柔性铰链的转动精度．利用有限元方法对柔性铰链的转动中心的柔度解析式进行校验,结果表明有限元与闭环解析式的偏差小于9％;通过定义转动中心的柔度比函数,分析了柔性铰链的结构参数对其转动精度的影响,并比较了这几种柔性铰链的转动精度性能,为柔性铰链的工程设计提供了理论依据．     

两种典型柔性铰链导向机构的稳定性分析

为了分析两种柔性铰链导向机构的稳定性以及柔性铰链参数对导向机构稳定性的影响,本文结合卡氏位移定理和能量法,分别推导了柔性铰链导向机构在运动方向、垂直于运动方向和绕z轴转动方向的刚度计算公式,并应用推导公式对两种导向机构3个方向上刚度进行实例对比,分别计算其3个方向上的谐振频率,并根据谐振频率分析稳定性.最后改变柔性铰链的参数,用MATLAB分析其对导向机构稳定性的影响.结果表明,刚度推导公式的有限元验证和理论计算结果误差在1.10%~13.79%,证明了推导公式的正确性;同时,谐振频率的理论计算数据对比表明双平行四杆导向机构具有更好的稳定性,MATLAB分析得出铰链的切口半径r对微动平台的稳定性和承载能力影响程度最大.谐振频率的对比分析和柔性铰链参数对稳定性的影响分析为微动平台设计时导向机构的选取提供了参考.     

直角柔性铰链单平行四杆机构输出位移分析

为了分析直角柔性铰链单平行四杆机构在导向过程中的导向位移及耦合位移,根据其结构的对称性,在对支撑结构进行受力分析和变形分析的基础上建立了单个支撑的半段梁模型,采用椭圆积分法推导了导向梁在大载荷下导向位移及耦合位移计算公式,最后采用有限元方法和实验对理论模型进行验证,并分析了造成理论值、仿真值和实验值之间出现误差的原因.研究结果表明,在柔性梁的弹性范围内,力与导向位移近似成线性关系,与耦合位移成类指数关系,理论值和实验值之间的最大误差分别为5.1%和8.5%;理论、仿真和实验所得的导向位移-耦合位移曲线基本重合.     

大行程串联柔性机构分析与设计

为提高柔性支承精密定位系统的行程,以传统直圆型柔性铰链为基本单元,提出一种新型大行程串联柔性机构.刚度与最大应力是影响大行程柔性机构性能的两个重要参数.采用伪刚体模型法,结合材料力学相关理论,建立了该柔性机构刚度和最大应力的理论模型.理论计算结果与非线性有限元分析结果相符,证明理论模型的正确性.在此基础之上,分析了大行程串联柔性机构的设计方法,验证了设计实例在大行程内的可靠性.脉冲响应测试实验结果表明由大行程串联柔性机构支承的精密定位系统定位误差不大于60nm.     

圆弧型柔性球铰柔度设计计算

 通过研究圆弧型柔性球铰的柔度性能,使该柔性球铰可代替传统的双轴柔性铰链应用于空间多自由度柔顺机构.根据《材料力学》中的卡氏第二定理,圆弧型柔性球铰柔度的解析公式被推导出,然后利用ANSYS12.0软件对其进行有限元分析, 结果表明有限元分析与解析式的计算结果基本一致.通过改变圆弧型柔性球铰的各结构参数来分析其性能,得出各结构参数对其柔度的影响大小依次为：最小截面直径 t、圆弧的圆心角θ^_m、圆弧半径R、杨氏模量E. 此设计计算和特性分析为柔性球铰在柔顺机构的应用提供了依据.     

高线性度的二维无耦合纳米压电位移系统设计

设计了一套具有高线性度的二维无耦合纳米压电位移系统.提出了一种多个压电陶瓷同步线性操作的电荷控制方案,设计采用基于非线性反馈控制和相似控制相结合的具有接地配置功能的压电控制器.控制器中引入了T型电阻网络,使电容较小的压电致动器能够进行低频线性操作.并对压电陶瓷驱动的位移平台进行了机械结构设计,平台采用嵌套式串联结构来避...