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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:黃柏策
研究生(外文):Bo-Tse Huang
論文名稱:XY超精密定位平台之分析研究
論文名稱(外文):Analysis and research of an ultra-precision XY positioning stage
指導教授:劉永田黃永茂
指導教授(外文):Yung-Tien LiuYeong-Maw Hwang
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:機械與機電工程學系研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:80
中文關鍵詞:撓性鉸鍊壓電致動器精密定位
外文關鍵詞:flexure hingespiezoelectric actuatorsprecision positioning
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摘要
本論文將針對一利用撓性鉸鍊及壓電致動器的XY精密定位平台進行分析、測試與實驗。此平台可減低撓性鉸鍊上的應力集中現象及在兩致動軸間獲得較低的干涉量。本文利用矩陣的關係式推導出風箱式撓性鉸鍊(bellow-type flexure hinges)機構的特性,並使用電腦解析軟體驗證。使用步階訊號測試平台的基本特性,X軸方向最大位移量為1.3微米,干涉量50奈米,Y軸方向最大位移量0.8微米,干涉量11奈米;若改成使用斜坡訊號驅動,則可在X軸得到最大位移量1.2微米及45奈米干涉量,在Y軸有最大位移量0.9微米和35奈米的干涉量。平台的等效應力與等效應變的分佈,可藉由有限元素軟體模擬得到。參照XY平台的特性測試結果,進行平台的定位實驗,可將目標物(target object)定位在與預定位移誤差10奈米以內的範圍。
Abstract
This paper reports about a precision positioning XY stage utilizing flexure hinges and piezoelectric actuators. XY stage was designed with the aim of reducing the stress-concentration of flexure hinges and the low interference between two actuating axes. Utilized the expression of matrix to figure out the properties of the bellow-type flexure hinges, and proved these by mathematical software. Experiments demonstrated that the stage actuated by a stairstep driving signal with maximum displacement 1.3μm and interference 50nm along X axis; along Y axis with maximum displacement 0.8μm and interference 11nm. The stage actuated by a ramp signal with maximum displacement 1.2μm and interference 45nm along X axis; along Y axis with maximum displacement 0.9μm and interference 35nm. The finite element method (FEM) was used to analyse the stress-concentration of the stage. and the simulated results were compared with the experiments. Referred to the testing results, the target object could be moved in the aimed position accurately.
摘要 8
ABSTRACT 9
符號說明 10
第一章 緒論 13
1-1 前言 13
1-2 奈米定位系統的歷史發展 14
1-3 研究目的 16
1-4 論文架構 17
第二章 奈米定位裝置介紹 18
2-1 壓電元件介紹 18
2-1-1 壓電效應發現 18
2-1-2 壓電元件的應用 18
2-1-3 壓電致動器的分類 19
2-1-4 壓電元件的基本特性 20
2-2 微奈米定位系統分類介紹 22
2-3-1利用靜態特性的定位裝置 22
2-2-2 利用動態特性的定位裝置 24
2-3-3 壓電元件與其他機械元件構成的定位裝置 25
第三章 XY超精密定位平台介紹與理論推導 28
3-1 XY定位平台介紹 28
3-2 XY平台剛性矩陣推導 30
3-2-1 撓性鉸鍊介紹 30
3-2-2 撓性鉸鍊基本剛性值推導 31
3-2-2 位移轉換矩陣推導 32
3-2-3 XY平台的剛性矩陣推導 38
3-2-4 XY平台的特徵值與特徵向量 46
3-3 XY平台動態特性推導 51
3-3-1 動態方程式推導 51
3-3-2 XY平台動態特性分析 52
第四章 XY平台相關實驗 56
4-1 實驗設備的架構 56
4-2 XY定位平台特性測試 57
4-2-1 測試方式 57
4-2-1 階梯式步階驅動訊號 58
4-2-2 斜坡驅動訊號 61
4-2-3 XY定位平台的步階響應 64
4-3 XY定位平台的應力與應變 65
4-3-1 建構XY定位平台的模組 66
4-3-2 XY定位平台的有限元素分析 66
4-4 XY平台定位控制 71
4-4-1 控制方法 71
4-4-2 實驗結果 71
第五章 總結 76
5-1 結論 76
5-2 未來展望 77
參考文獻 78
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