【摘 要】
：
多自由度超精密驱动与定位技术是超精密制造、机器人、光学仪器和生命科学等领域的一项共性支撑技术,已成为高端装备向高精尖方向发展的核心和关键技术之一。上述领域的快速发展对驱动与定位系统的精度、行程和自由度等指标提出了苛刻的要求,共性的需求是要求系统具备大尺度运动范围、纳米级精度和多自由度输出等能力,对部分指标的需求甚至超过了现有驱动技术所能达到的极限值。利用压电材料逆压电效应工作的压电驱动技术,可实现
【基金项目】
：
国家自然科学基金联合基金项目重点支持项目（项目名称:多自由度大行程微纳操控机器人关键技术研究,项目批准号:U1913215）； 优秀青年科学基金项目（项目名称:压电驱动理论与技术,项目批准号:51622502）； 国家自然科学基金面上项目（项目名称:基于双模式叠加的跨尺度压电驱动技术的研究,项目批准号:51475112）；
论文部分内容阅读
多自由度超精密驱动与定位技术是超精密制造、机器人、光学仪器和生命科学等领域的一项共性支撑技术,已成为高端装备向高精尖方向发展的核心和关键技术之一。上述领域的快速发展对驱动与定位系统的精度、行程和自由度等指标提出了苛刻的要求,共性的需求是要求系统具备大尺度运动范围、纳米级精度和多自由度输出等能力,对部分指标的需求甚至超过了现有驱动技术所能达到的极限值。利用压电材料逆压电效应工作的压电驱动技术,可实现纳米级分辨力,同时具有出力大、响应快、电磁兼容性优异等特点,可应用于多种超精密驱动系统,且部分已实现商业化应用。然而,现有压电驱动技术依然存在大尺度、纳米级精度和多自由度输出无法兼顾的共性难题。针对这一瓶颈,本文基于仿生学原理提出了一种四足致动型三自由度压电驱动器,模仿四足生物“摆动”、“行走”和“奔跑”三种不同的运动方式,提出了适用于该压电驱动器的三种致动模式:直接致动模式、行走致动模式和惯性致动模式;三种致动模式下的机械输出能力范围具备互补和交叉的特点,通过不同致动模式的灵活切换,可实现兼顾大尺度和高精度的运动输出。此外,基于四足生物多运动方式规划了驱动器直线及旋转自由度输出对应的步态运动方案,提出了三自由度输出对应的三种运动策略,通过三种运动策略的灵活切换实现了三自由度输出（平面内两自由度直线和单自由度旋转）。最终,本文所提出的四足致动型三自由度压电驱动器达到了兼顾大尺度、纳米级精度和三自由度输出的致动目的,为多自由度大尺度超精密驱动提供了一种切实可行的新方案。通过分析各致动模式及运动策略的致动原理和工作要求,提出了适用于四足致动型三自由度压电驱动器构型的设计流程,确定了压电驱动器的基本构型。利用Timoshenko梁理论、Galerkin离散理论及Lagrange方程,建立了单个压电腿的动力学模型;基于摩擦理论和二维接触理论,建立了驱动腿与工作面的接触模型;整合驱动腿动力学模型及驱动足与工作面的接触模型获得了整个压电驱动器的动力学模型,进而完成驱动器构型的优化设计,最终确定了其结构尺寸及材料参数。研制了四足致动型三自由度压电驱动器样机,对其运动特性进行了测试,实验结果表明:该驱动器具备平面三自由度驱动能力（平面内两自由度直线和单自由度旋转）;在直接致动模式下的运动范围为6.4μm×6.4μm×79.2μrad,线位移分辨力优于16nm,角位移分辨力优于0.198μrad;在行走致动模式下实现了工作面内任意位置的大范围运动,线位移分辨力优于0.1μm,负载可达35kg;在惯性致动模式下获得了3.65mm/s的最大运动速度,线位移分辨力优于1μm;三种致动模式下的输出特性具备了互补和交叉的能力。所测试的运动特性表明,该驱动器实现了平面三自由度大尺度纳米级分辨力且具有大负载能力,具备了“一机多能”的特点。最后,将所设计的驱动器用于构建一种平面大行程纳米定位平台,建立了面向驱动器多致动模式的协调控制策略,设计了多致动模式之间的切换控制器,根据不同的输出目标自动选取不同的致动模式。开展了平台的机械输出特性测试实验,实验结果表明:该平台的工作范围为15mm×15mm,闭环定位精度优于±20nm,实现了平面二维大尺度工作范围内的纳米级定位。相关测试结果表明,该大行程纳米定位平台在超精密制造、光学器件调姿和细胞操控等领域均具备了应用潜力。
其他文献
铟配合物具有结构丰富、框架稳定以及可调节性强的特点,是一类优异的多功能材料。为了拓展此种材料在荧光传感以及钙钛矿太阳能电池中的应用,论文以芳香化合物为有机配体,采用水热/溶剂热的方法制备了九例铟配合物。通过单晶X射线衍射（SCXRD）、傅立叶变换红外光谱（FTIR）、粉末X射线衍射（PXRD）等手段进行了结构表征,通过紫外可见（UV-vis）吸收光谱、光致发光（PL）光谱、X射线光电子能谱（XPS
在知识经济的时代背景下,校企合作不仅能有助于知识创新,还能有助于推动科技成果产业化进程。尤其在激烈的国际化竞争和巨大的技术创新压力下,校企合作的意义突显重要。尽管我国在校企合作的理论研究中取得较为丰硕的成果,然而实践中校企合作暴露出诸多问题。例如高校与企业的合作关系不稳定,导致后续合作难以进行;高校与企业存在较大异质性,未能切实有效地融合,使得校企合作流于表面形式,导致合作绩效不理想;高校与企业深
随着气候变化、全球变暖、化石能源危机等全球性问题越来越显著,全球掀起了一场以风能、太阳能为主的能源革命。未来风能太阳能将在全球能源供给,尤其是电力供给中占据主导地位。风能、太阳能具有强烈的波动性及间歇性,需要电力系统提供足够的灵活性来确保其安全高效利用。深化对风能太阳能波动性及间歇性的认识,并充分利用风能太阳能的互补性,可以从根源上削弱波动性及间歇性,显著降低对电力系统灵活性的需求,对于未来高比例
德氏乳杆菌保加利亚亚种（Lactobacillus delbrueckii subsp.bulgaricus,L.bulgaricus）广泛应用于世界食品发酵工业中,具有重要经济价值。菌株自身生长和应用过程中经常遇到酸性环境,低p H值对细胞生理产生不利影响,包括膜损伤、抑制酶表达和生存能力降低等。因此,明晰菌株内的耐酸调控机制,建立菌株的耐酸调控网络对于细菌的生存和菌株在工业应用都至关重要。本研
芳纶纤维/环氧复合材料力学性能优异,耐化学腐蚀性好,比强度、比模量高,比密度小,是较为理想的导弹、飞行器发动机壳体材料,在国防军工等重要领域应用广泛。但芳纶纤维的“皮-芯”结构导致其横向强度远低于其纵向强度,且芳纶纤维表面极性基团较少,表面光滑,缺少化学活性点,与树脂基体界面相容性差,在与树脂复合时还同时存在因树脂固化而带来的残余应力,这两方面都将导致纤维与基体树脂的界面结合性能较差,特别是在湿热
中温化已成为近年来固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells,SOFC）领域研究和发展的主要趋势。但由此也会带来电池极化损失,尤其是阴极极化损失的大幅度增加。鉴于上述背景,对阴极材料进行改性,开发中温下高催化活性的阴极至关重要,其中发展复合阴极和构筑纳米结构是阴极改性的重要手段。尽管钙钛矿材料一般在电导率和催化活性等方面具有较为优异的表现,但其与常用的电解质材料往往难以实现良
Fe:ZnSe激光器能够产生光电对抗所需的高能量长脉冲和重复频率短脉冲中红外激光,但目前针对脉冲Fe:ZnSe激光器在不同泵浦波长、泵浦重复频率、泵浦脉冲宽度、工作温度等条件下的报道较少。基于此,本论文从理论和实验两个方面研究了百毫焦级能量百微秒级长脉冲,以及重复频率纳秒级脉宽增益开关的Fe:ZnSe激光器。理论方面,分析了Fe:ZnSe晶体的光谱特性以及上能级寿命随温度的变化规律,确定了泵浦源合
在中国大气区域性复合型污染特征日趋显著的背景下,实施大气污染联防联控是改善区域空气质量的有效途径,而准确理解与科学量化区域范围是实施大气污染联防联控需要回答的首要问题。然而如何科学划定区域范围,至今尚未有成熟的理论技术方法。如果实施大气污染联防联控的区域范围过小将降低治污的有效性,过大将增加区域间协调难度。本研究基于空气污染气象学、数值模拟技术、复杂网络理论等多学科融合的方法,旨在开发一种能够高效
在过去的几十年中,创业已成为全世界重要的经济和社会发展议题,创业活动提升了全世界的经济效率、创造了大量新的就业岗位、提高了就业率。创业精神在俄罗斯经济发展中起着至关重要的作用,尽管与其他国家相比,俄罗斯的创业概念是相当新颖的。本研究以俄罗斯联邦作为研究背景,在过去的30年里,俄罗斯联邦在经济和政治方面经历了很大的变化。创业活动是基于创业人自己的想法或他人想法。在当今社会,顾客的需求正在发生变化,这
我国国有企业长期以来在推动经济增长、培育新兴产业、服务改善民生方面发挥着重要作用。面对中美经贸摩擦,国有企业在复杂政治经济形势中稳定宏观经济、防范化解重大风险的任务更重,面临的冲击更大,其抗冲击的柔性能力和摆脱西方压制实现创新发展尤为重要。在改革的大背景下,处于转型的经济环境中,国有企业重任在肩,需要不断创新形成竞争优势,成为国家创新战略的引领者和践行者。现有相关研究主要基于西方企业管理理论和情境