新型二维纳米级微动工作台的动力学探究.pdfVIP

第 10卷 　第2 期 光学 　精密工程 Vol . 10 　No . 2 2 0 0 2 年 4 月 　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　Ap r . 　2 0 0 2 Optics and Precision Engineering ( ) 文章编号 　1004924X 2002 020 14305 新型二维纳米级微动工作台的动力学分析 刘品宽 , 孙立宁 , 曲东升 , 荣伟彬 ( 哈尔滨工业大学 机器人研究所 ,黑龙江 哈尔滨 15000 1) 摘要 :提出一种新型 、集成式压电驱动两 自由度 nm 级微定位工作台系统 ,工作台采用直角柔性平行板 铰链 ,实现 X , Y 方向的运动 ,采用杠杆放大柔性铰链机构实现对压电陶瓷位移的放大 。并对这种新型 结构形式理论分析与实验测试 。根据拉格郎日方程建立微动工作台的运动微分方程 ,推导出系统前两 阶固有频率的解析式 。采用有限元分析方法对微动工作台进行模态分析 ,得到微定位工作台有效工作 的谐振频率和振型 ,并对微动工作台的模态频率进行了实验测试 。经理论分析 、有限元计算和实验测试 结果进行对比与分析的一致性说明理论分析的正确性和数值分析的可靠性 。 关 　键 　词 :纳米定位 ;柔性铰链 ;有限元分析 中图分类号 : TP24 　　文献标识码 :A 都有一定的指导作用 。 1 　引　言 针对笔者开发的一种新型集成式两自由度微 定位工作台 ,对其进行动力学分析 。首先 ,根据拉 　　随着纳米技术的兴起和迅猛发展 ,基于压电 格郎日方程建立微动工作台的运动微分方程 ,推 驱动的纳米级微定位技术已成为微机电系统 、扫 导出系统前两阶固有频率的解析式 。然后 ,采用 描探测显微镜 、超精密加工 、细胞操作等诸多前沿 有限元分析方法 ,对微动工作台进行模态分析 ,得 技术的基础支持技术 。尤其是多自由度 nm 级微 到微定位工作台有效工作的谐振频率和振型 ,并 定位工作台的应用越来越受到重视 。 对微动工作台的模态频率进行实验测试 。 nm 级微定位系统的传动副中的柔性铰链是 一种结构紧凑 、体积小 、无机械摩擦 、无间隙的传 2 　微定位工作台的动力学模型 动导向机构 ,具有高精度和高稳定性的特点 。以 柔性铰链为导向机构的高精度微动工作台已被广 　　微定位平台机构设计采用直圆柔性铰链作为 泛用于要求具有 nm 级定位分辨率的技术领域 转动副 ,采用直角弹性平行板作为移动副 ,应用弹 内[4 ] 。 性变形原理 ,实现无摩擦 、无间隙的微运动传递 。 在基于压 电陶瓷驱动的 nm 级微定位系统 常用的驱动形式有直接驱动式和杠杆放大式 。放 中 ,压电陶瓷驱动器的固有频率较高 ,一般在 7～ 大机构将压电陶瓷的输出位移放大 。在 xy 两方 8k Hz , 电路处理的频率也较高 , 可 以到 1000k Hz 向布置柔性传动机构 ,实现 xy 两方向的运动 ,结 左右 ,则整个微定位系统的动态特性主要取决于 构紧凑 ,输出位移较大 。结构原理如图 1 所示 ,压 由柔性铰链组成的放大机构和由平行板柔性铰链 电陶瓷驱动由柔性铰链构成的杠杆机构 , 同时在 组成的弹性导向机构的固有频率 ,对这一系统进 杠杆末端增加平