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研究生: 許學豐
Hsuen-feng Hsu
論文名稱: 雙軸短行程微/奈米定位平台整合光纖干涉儀作閉迴路定位控制之研製
Development of a 2-axes Closed-Loop Short Travel Micro/Nano-Positioning System Integrated with 2 Optical Fiber Interferometer Systems
指導教授: 修芳仲
Fang-Jung Shiou
口試委員: 曾垂拱
Chwei-Goong Tseng
陳朝榮
Chao-Jung Chen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 102
中文關鍵詞: 定位平台ANSYS平板彈簧
外文關鍵詞: piezoelectric actuator, micro-/nano-positioning stage, optical fiber interferometer system, ANSYS software, double compound leaf spring
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  • 本研究旨在開發一閉迴路X、Y軸短行程微/奈米定位系統,系統主要元件包含以有限元素分析設計具位移放大機構之微/奈米定位平台、壓電致動器、光纖干涉儀量測系統、PC等,系統以LabView程式語言撰寫程式介面作定位控制系統之整合。
    本研究以串聯式機構為設計,利用槓桿原理之位移放大機構,以ANSYS有限元素分析軟體進行設計上的靜態及動態分析,並完成局部尺寸最佳化的設計。
    依據本研究之實驗結果,所研製之雙軸短行程精密定位平台其X軸之位移可達40 μm,Y軸之位移可達55 μm。此定位平台經測試後,定位系統具有10 nm之步階定位能力,在以PC based下所建立的閉迴路PID控制系統,追蹤誤差大約可控制在10 nm,X軸最大行程之Yaw error為6.94〞,Y軸最大行程之Yaw error為0.55〞。
    此整合系統之特點在於結構與控制邏輯簡單,並藉由光纖干涉儀量測系統作位置回授之閉迴路控制系統,能在短時間內達到高精度控制的功能,對發展自主性之完整奈米定位系統建立關鍵研發基礎。


    The objective of this research is to develop a PC-based closed loop short travel X-Y axes micro-/nano-positioning system. The developed system mainly consists of two piezoelectric actuators, two displacement enlarged mechanisms, a micro-/nano-positioning stage analyzed by the FEM software - ANSYS, two optical fiber interferometer systems, and a PC. A set of software written with the LabView programming language was developed to construct the PID closed-loop control of the positioning system.
    The structure of the positioning stage has been designed as a nested serial type. A lever for displacement magnification mechanism has been used to enlarge the travel of each PZT actuator. The movement of the designed micro-/nano-positioning stage body was constrained by four sets of flexible double compound leaf springs cut by wire electrical discharge machining. The geometric dimensions of the leaf springs have been determined by executing the optimization function using the ANSYS software on static and dynamic analysis.
    Based on the test results, the designed stage was capable of positioning within the range of 40 μm and 55 μm along X- and Y-axes, respectively. The positioning capability was about 10 nm under the slope tracing speed of 100 nm/s. The error of the circular test controlled by the PC-based PID controller was about 10 nm. The maximum yaw error of the stage moving along x-direction was about 6.94 arc-seconds, whereas that of the stage moving along y-direction was about 0.55 arc-seconds.

    中 文 摘 要 I Abstract II 誌 謝 III 目 錄 IV 圖 索 引 VIII 表 索 引 XIV 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 文獻回顧 2 1.3 研究方法與論文結構 4 第二章 機構設計概念 7 2.1 壓電致動器之特性 7 2.1.1 壓電致動器之優缺點 7 2.1.2 壓電致動器之形式 8 2.1.3 遲滯效應 9 2.1.4 PZT推力的產生 10 2.1.5 PZT承受不同負載下的伸長量 11 2.2 撓性結構 13 2.2.1 平板式撓性結構 13 2.2.2 撓性絞鍊 14 2.3 撓性放大器 17 2.4 雙軸微定位平台設計機構 20 2.4.1 並聯式運動機構 (Parallel) 20 2.4.2 串聯式運動機構 (Serial) 21 2.5 微定位平台初步設計圖 23 第三章 模擬分析與結果 24 3.1 黃金切割區間搜尋法介紹 24 3.2 有限元素分析介紹 26 3.2.1 ANSYS最佳化方法介紹 29 3.3 槓桿放大機構平台設計 33 3.3.1 平台設計與推導 33 3.3.2 動態方程式推導 35 3.3.3 ANSYS有限元素分析 37 3.4 平台最佳化設計 42 3.4.1 最佳化X軸 43 3.4.2 最佳化Y軸 45 3.4.3 平台最佳化結果與比較 46 3.5 完成的平台設計圖 52 第四章 實驗方法與步驟 53 4.1 PID控制理論 53 4.1.1 PID閉迴路控制理論 53 4.2系統設備介紹 55 4.3 系統架構 58 4.4 微定位平台測試項目 59 4.4.1 實體加工誤差測試 60 4.4.2 自然頻率測試 61 4.4.3 光纖干涉儀校正 62 4.4.4 平台最大位移量測試與耦合測試 64 4.4.5 偏擺角度測試 65 4.4.6 微定位平台之反應程度與解析度測試 66 第五章 實驗結果及數據分析 68 5.1 實體加工誤差測試結果 68 5.2 自然頻率測試結果 69 5.3 光纖干涉儀校正 70 5.4 平台最大位移量測試 72 5.5 耦合測試 75 5.6 偏擺角度測試 78 5.7 微定位平台之反應程度與解析度測試 80 5.7.1 步階暫態響應測試 80 5.7.2 連續步階測試 82 5.7.3 循圓軌跡測試 87 第六章 結論與未來研究方向 94 6.1 結論 94 6.2 未來研究方向 96 參考文獻 98 作 者 簡 介 102

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