| 题名 | 具有纳米级运动分辨率及定位精度的工作台的研究 |
| 作者 | 王勇 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2006 |
| 授予单位 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 |
| 导师 | 朱健强 |
| 关键词 | 纳米定位 压电驱动 柔性铰链 串联机构 并联机构 数字PID |
| 中文摘要 | 对微观领域的探索需要借助于精密细微的操作手段，而具有亚微米级甚至纳米级运动及定位精度的操作装置是实现这一手段的根本保证。随着现代科学技术特别是近年来纳米科学技术的发展，与纳米科学息息相关的诸多领域，如光学工程、精密工程、电子工程、微机电工程、生物工程、基因工程、航天工程等领域中的许多关键性技术，如光学精密测量、精密调整、超精密加工、集成电路制造、细胞操作、精密装配、显微操作等前沿技术都需要纳米级精度定位技术的支持。可以说，纳米级定位技术是许多现代工业领域中前沿科学技术研究的基础技术之一，相关的理论研究工作对于这一技术的实现及进一步发展有着重要的意义。 目前，以柔性铰链为支承，压电/电致伸缩致动器驱动的微位移机构仍然是实现纳米级精度定位的最有效措施。国内外在这一方面也有较多的研究报道，但仍有不少问题需要进一步研究解决，如机构的结构形式上的改善及优化、微位移机构的工作行程问题、微位移量的测量问题、运动的控制方法问题等。针对这些问题，本文致力于六自由度纳米级定位系统的研究，对纳米级定位技术中的驱动、机构、检测、控制几方面做系统的理论分析和实验研究。全文主要内容如下： 1、综合论述纳米级微定位系统的研究目的和意义，分析常用的微位移机构的结构形式及其特点，论述国内外在微位移定位技术领域的发展过程及现状。在此基础上，确立以柔性铰链为支承、以压电陶瓷为驱动、串联方式实现多自由度，从而实现六自由度纳米级定位技术的总体方案，确定了本文的研究任务。 2、对微位移驱动元件压电驱动器的机械特性及电学性能作了详细的分析。在此理论指导的基础上，选择合适的驱动器用于驱动。此外，系统中机构的结构参数设计、运动学分析、位移测量方法选择、控制器设计等都与驱动器的机电特性密不可分，本部分内容是压电驱动器正确使用的必备前提。 3、对微位移系统中的机构设计做详细论述，主要包括：微位移机构采用柔性铰链作为支承导向元件，推导出各种结构形式的柔性铰链的设计计算公式，并利用有限元分析法进行验证；结构设计上，提出几种以柔性铰链作为运动副的一维平移与一维转动机构的设计形式，并对机构动态性能作简要分析；针对压电驱动器位移输出较小的问题，论述微位移机构设计中通常采用的位移放大措施；对多自由度运动微位移机构上的结构实现形式——串联、并联、混联几种方式及其特点作出阐述，并根据这些设计理论，研制出串联式六自由度运动机构，并给出设计实例及分析结果。 4、为实现纳米级定位精度，采用亚纳米级分辨率的电容式位移传感器，其测值作为控制系统的位移测量反馈环节。控制算法采用数字PID调节器，实现工作台的稳定性定位，提高系统的动态响应速度。 5、对六自由度精密定位工作台的性能进行测试，包括开环状态和闭环状态的运动性能。检测结果表明，直线位移工作台的开环运动分辨率高于5nm；闭环控制状态下的稳定性定位精度在±5nm范围内；转动工作台的转角分辨率高于2μrad。实现研究的预期目标。 6、对本文的工作做出总结，指出目前研究中尚存在的问题及进一步的工作重点。 |
| 语种 | 中文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.siom.ac.cn/handle/181231/15614]  |
| 专题 | 上海光学精密机械研究所_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王勇. 具有纳米级运动分辨率及定位精度的工作台的研究[D]. 中国科学院上海光学精密机械研究所. 2006. |
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