三自由度纳米磨削微定位平台的运动学特性

为了克服精密平面磨床进给系统分辨率低而难以实现纳米级磨削加工的不足,设计了一台三自由度微定位平台来实现纳米定位和振动误差动态补偿.该微定位平台采用3个高刚度压电陶瓷驱动器并联驱动,3个弹性铰链实现动平台的导向,利用3个高精度的电容式位移传感器测量动平台的实际位姿.为了深入研究三自由度微定位平台的运动学特性,分别利用欧拉角和RPY角描述动平台的姿态并基于空间解析几何理论,建立了微定位平台的正、逆解运动学模型,得到了传感器测量值和压电陶瓷驱动点的实际位移输出值间的映射关系,分析了不同姿态描述之间的内在联系,并研究了微定位平台受到压电陶瓷驱动器伸长量限制时的可达姿态空间.试验验证了三自由度微定位平台的特性和所建模型的正确性.试验表明该微定位平台的z向最大位移为12μm,章动角随进动角的不同而变化,最大可达130μrad.     

砂轮测量用白光干涉仪三维运动机台设计

为了实现对工件表面质量进行预测和控制,对砂轮表面的三维形貌测量、表征和评价就显得尤为重要.设计了一款砂轮检测用白光垂直扫描干涉仪三维运动机台,主要分为XY向位移平台部分、砂轮旋转定位部分、桥式立柱部分以及含有柔性铰链的Z向微位移系统部分,通过有限元静动力学分析优化机台结构,使其满足使用要求.实现XY向位移平台单脉冲步长0.3125μm,Z向精级机构行程15μm,精度0.03μm.     

基于微型机器人的显微注射系统设计与实验

针对传统显微注射操作中手动操作难度大、成本高等问题,设计了一种基于微型机器人的低成本显微注射系统.首先,介绍三自由度微型机器人、信号控制器和功率放大器的结构和设计原理.其次,分析机器人在平面和垂直方向的运动性能.在驱动信号100 Hz时,平面尺蠖式蠕动速度可达32.5μm/步;在驱动信号高于200 Hz时,步进分辨率小于5μm;垂直方向运动最大范围5 mm,最小分辨率达2μm,满足实际要求.最后,设计了显微针对插、虾卵细胞吸附固定实验和虾卵细胞注射实验,结果表明,本文方案操作简单、重复性强,显微注射成功率达88%.     

基于柔性铰链的压电微夹钳设计

面向微机电系统(MEMS)微装配设计了一种压电式微夹钳,该微夹钳基于柔性铰链设计,结构简单、紧凑,具有对称结构的两级位移放大机构,其驱动采用叠堆型压电陶瓷.重点对该微夹钳的张合缩放特性进行了理论分析,建立了电压与末端张合量输入输出模型.样机实验表明,驱动电压为140V时,该微夹钳具有约1 260μm的最大张合量,微操作实践表明:微夹钳能实现对不同形状尺寸大小从50~1 260μm范围的微小器件夹持操作.     

音圈电机驱动的柔性定位平台设计与控制

设计了一种二自由度柔性微定位平台,该平台主要由音圈电机和柔性铰链机构等组成.采用直角柔性铰链组成的双平行四杆机构对称安置,以实现平台的大行程和运动解耦,工作行程可达2,mm以上,定位精度可达纳米级.设计空间支撑机构保证其承载能力.对微定位平台进行了结构设计和承载能力等特性分析.考虑到该定位平台动态行为的特点,采用遗传算法优化的BP神经网络组合辨识方法对系统模型进行了辨识,克服了神经网络对复杂系统动态行为辨识存在的缺陷.基于神经网络PID复合逆控制方法对微定位平台进行控制,通过实验对辨识和控制方法进行了验证,结果表明遗传算法优化的神经网络辨识方法与神经网络PID复合逆控制方法适用于该音圈电机驱动的柔性微定位平台系统的实际应用.     

压电驱动一维微动平台的动力性能仿真

为降低一维微动平台定位机构的复杂性,消除输出位移的耦合,根据s型柔性铰链的结构特性,设计了基于压电堆栈驱动和S型柔性铰链为定位机构的一维微动平台。应用ANSYS软件对其进行动力性能仿真分析。结果表明：材料的许用应力340MPa,微动平台的最大应力为37MPa,这小于许用应力,满足强度设计要求。微动平台可以实现0～46．8μm的微位移输出。该结果为进一步研究二维微动平台提供了参考依据。     

数控辅助超精密定位工作平台的研究

在超精密加工中,需要亚微米乃至纳米级的定位,而常规的伺服电机驱动、精密滚珠丝杠传动方案的定位精度一般只能达到微米级.为提高数控进给装置的定位精度,在原有伺服进给定位装置的基础上,总结现有微定位补偿机构设计的不足,提出新的闭环伺服精密微位移补偿控制方案,以显著减小数控伺服进给装置的定位误差.设计的压电驱动微定位工作台具有纳米级位移分辨率和定位精度,静、动刚度好.试验表明,本系统设计的10μm行程微定位平台能很好地补偿数控滚珠丝杠副定位偏差,实现超精密加工的超精密进给要求.     

滚仰式导引头稳定平台动力学建模及驱动力矩计算

为指导滚仰式导引头稳定平台控制系统的设计,结合李群理论,分析了稳定平台运动学描述方法,推导了广义坐标形式的动力学方程.该动力学方程不仅考虑了加速度力矩,而且综合了质量不平衡力矩、框架耦合力矩及弹体运动产生的干扰力矩等非线性力矩.在此基础上分析了导引头跟踪沿光轴切线飞行的目标时的角速度、角加速度参数.最后针对某滚仰式导引头原理样机,数值计算滚转轴的最大驱动力矩为1.828N·m,俯仰轴最大驱动力矩为0.015 6N·m.     

MEMS光开关静电驱动结构的研究

对MEMS光开关的悬臂驱动结构进行了设计,考虑到采用湿法腐蚀技术制作的微反射镜与设计尺寸偏差较大,会对光开关的性能产生一定影响,提出了一种扭臂和微反射镜相平行的光开关悬臂驱动结构,该种结构能够实现大面积微反射制作的同时,而不提高光开关的驱动电压,具有结构紧凑,便于集成的优点。采用该悬臂驱动结构,成功制作了8×8光开关阵列,单面微反射镜面积达到180μm×600μm,在65V的驱动电压下,能够实现微反射镜180μm的大位移。     

压电微悬臂梁探针的制作工艺研究

为实现压电探针在纳米器件表征和加工领域的应用,设计并制作了一种压电微悬臂梁探针.采用各向异性湿法腐蚀的方法得到纳米级硅针尖,用局部压电层方法解决了压电微悬臂梁探针制作过程中探针、压电薄膜和微悬臂梁之间的工艺兼容性问题.使用微力传感器测试平台对尺寸为450μm×70μm的压电悬臂梁探针进行测试,结果表明,这种尺寸的压电悬臂梁探针的弹性常数为21.17N/m,与理论计算值相符.通过对压电探针的设计制作,总结了湿法腐蚀-干法刻蚀等工艺的结合方案,为压电探针的广泛应用奠定了基础.     

玻璃微喷嘴锻制仪的设计与制备

为了制作出具有多种孔径和锥度的低成本玻璃微喷嘴,基于玻璃热变形锻制工艺,设计并制作了玻璃微喷嘴锻制仪.锻制仪主要由温度可调的加热源和可编程运动控制部分构成.首先,通过控制玻璃材料的变形长度及各部分的加热时间,得到具有不同孔径和锥度的微喷嘴.然后,以孔径200μm、内流道收缩角度15°的玻璃微喷嘴为例,在液体微喷射系统平台上进行液-液相喷射实验.实验结果表明:在1~10Hz驱动频率范围内,喷射过程中微喷嘴端口没有挂滴,喷出液滴直径约为160μm.利用玻璃微喷嘴锻制仪所制作的微喷嘴能够满足非接触式点样法制备生物芯片微阵列所要求的单滴性和稳定性.     

滚动轧制对7050铝合金FSW接头组织的影响

采用自制的滚动轧制头对5 mm厚的7050铝合金搅拌摩擦焊接头进行表面滚动轧制处理,并对滚动轧制前后接头的表面粗糙度、变形程度及横截面纵深方向微观组织演化进行了分析.结果表明：滚动轧制后接头的表面粗糙度得到改善,R_a由焊接态的7.45μm减小至6.82μm.接头横截面纵深方向从表面向下分为过渡良好的3层,依此为变形层、过渡层及微塑性变形层.变形层是应变最显著的微区,应变呈梯度分布,表层变形最大,随着距接头表面深度的增大而降低.变形层因经历了最大的变形,焊核区原始的等轴状晶粒变形细化,在距接头表面一定深度范围内形成厚度不等的纳米结构.     

温度自补偿微波测厚传感器的研制

根据介质微扰腔体的原理,研制了一种用于无接触测量可塑性薄膜厚度和具有温度?补偿的新型微波传感器。文中阐述了实现温度自补偿的方法并导出了公式,实验结果表明:分析的主要误差与直接测量(0.0012μm/℃)非常吻合,量程为0—100μm,分辨为<0.2μm。     

基于刚度组集的混联机床的静刚度分析与优化

为了深入研究基于冗余驱动并联机构的混联机床的静刚度,提出一种建立整机刚度模型的方法,这种方法考虑了滚动直线导轨副和轴承的变形.根据刚度组集原理建立整机刚度矩阵,得到整机静刚度分布情况,并讨论了滚动直线导轨对整机静刚度的影响,针对机床薄弱环节,进行结构优化.结果表明: 在一定工作空间内,整机x、 y、 z方向静刚度具有对称性, z向刚度最好, x向刚度最差.滚动直线导轨副对整机刚度影响较大.通过改进某些部件结构提高了整机x向刚度,为此类机床设计和优化提供了理论分析依据.     

二维高精度磁悬浮定位平台的研究

为了解决传统精密机械支承平台由于传动副的间隙、摩擦以及传动杆件弹性变形等引起的运动与定位误差问题,研制了具有“近零摩擦”运动副的高精度磁悬浮二维定位平台样机．该定位平台采用两层结构,最大行程500mm,每层平台均采用结构相同的6对电磁铁,并以四角磁悬浮支承和侧向平动控制的方式置于导轨之上来实现平台的磁悬浮运动．通过设计磁悬浮平台的受力结构,获得了对平台垂直、水平方向的解耦控制方案．根据电磁轴承系统的数学模型分析,设计并开发了二维电磁悬浮平台和控制系统,使用dSPACE数字控制平台和模拟控制手段,实现了电磁悬浮平台在比例、积分和微分（PID）控制下的5自由度静态稳定悬浮．试验结果表明,悬浮精度达到了10μm,因而有希望成为新一代半导体制造中的高精度定位平台．     

柔性宏/微空间机械手系统的误差补偿

利用一个柔性宏 /微机械手空间机器人结构 ,即在一台大型的柔性宏机械手的末端安装一台小型的微机械手 ,以提高柔性空间机器人的作业精度。基于机器人摄动理论和正、逆运动学理论 ,推导利用微机械手的快速和精密运动消除柔性宏 /微机械手误差的补偿原理。仿真结果表明补偿前 ,宏 /微机械手末端点因弹性杆件变形引起的在 x方向的最大误差近 6 m m,在 y方向的最大误差近 8m m,采用所提出的方法进行补偿后 ,末端误差几乎为零。所提出的误差补偿方法能够有效地提高机器人末端点的定位和跟踪作业精度     

微流动注射化学发光检测系统测定自来水中次氯酸根

基于次氯酸根能够直接氧化鲁米诺产生化学发光的原理,结合微加工技术,建立了微流动注射化学发光检测系统测定自来水中次氯酸根的方法.微检测系统是在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)片(50 mm×40 mm×5 mm)上通过激光雕刻微通道(宽为200μm,深为100μm)并结合双T的进样方式(进样量约为0.3μL)来实现.结果表明,该方法测定次氯酸根的线性范围为3.0×10-7~1.0×10-4g/mL,方法的检出限为1.4×10-7g/mL.11次平行测定的相对标准偏差为4.5%.该方法简单、分析速度快(368次/h)、耗样量少,已成功应用于自来水中次氯酸根的测定.     

基于直角柔性铰链的微控平台动力学研究

目的设计一种基于直角柔性铰链的一维微控平台,用激光干涉仪进行微控平台位置的检测和传递位置信号实现位置上的闭环控制,从而实现大行程纳米级分辨率和定位精度要求.方法利用卡氏第二定理推导微控平台运动的柔度表达式,在此基础上进行不同柔性铰链的柔度对比,选取满足要求的柔性铰链,并设定其几何参数,通过计算选择合适的压电陶瓷驱动器,并利用有限元软件进行验证,建立了质量-阻尼-刚度动力学模型,对比不同阻尼下的微控平台的稳定状态,为选择提供预紧力的弹簧提供参考.结果直角柔性铰链的柔度最大,满足微控平台大位移量的要求.通过计算选择低压机械式封装压电陶瓷驱动器,具体型号为PST 150/4/20 VS9.在进行微控平台的封装时,设定弹簧阻尼在4 000 N/m,微控平台可以在很短的时间内趋于稳定,达到其优化的目的.结论新型一维微控平台能够实现稳定性定位,该设计思路为微控平台的设计提供了一种有效简明的设计步骤,为平台的优化设计提供了一种参考.     

基于ZedGraph和牛顿-拉夫逊法的矿山微震源定位与可视化平台设计

针对目前国内微震监测相关软件较多依赖进口,自主研发较少的现状,设计了一款基于ZedGraph和牛顿-拉夫逊法的矿山微震源定位与可视化平台.该平台主要由微震源定位解算模块和震源可视化模块构成,其中微震源定位解算模块应用牛顿-拉夫逊法和四四组合定位法原理,微震源反演数学模型采用经典的到时差模型;震源可视化模块基于ZedGraph图表类库结合C#语言实现了3种不同形态的震源显示.实验结果表明,该平台使用较方便,定位结果精度与微震源可视化效果符合预期目标,开发成本较低,对于我国国产微震监测系统的自主开发有一定参考价值.     

某微型车前悬架纵倾仿真与优化

通过ADAMS/CAR建立前麦弗逊悬架模型和双轮平跳分析,评估某微型车轮跳对其车轮定位参数、悬架刚度及悬架点/抬头量的影响.针对点/抬头量过大的问题,采用D-最优试验设计方法,对下摆臂硬点坐标和弹簧刚度进行灵敏度分析,进而降低点/抬头量,并确保车轮定位参数变化合理.研究表明:该车车轮定位参数和悬架刚度变化趋势合理;下摆臂内侧硬点z向坐标、弹簧刚度对点/抬头量影响较显著;当减小下摆臂前铰z向坐标或增大下摆臂后铰z向坐标和弹簧刚度,点/抬头量明显减小,车轮定位参数仍在允许范围内.