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研究生: 張博懷
Po-huai Chang
論文名稱: 運用有限元素法設計單軸短行程微奈米定位系統
Design of A Closed-Loop Short Travel Micro-Nano-Positioning System by Finite Element Method
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: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 139
中文關鍵詞: 定位平台、ANSYS、平板彈簧
外文關鍵詞: micro-nano-positioning stage
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本研究旨在開發一閉迴路短行程微/奈米定位系統,系統主要元件包含以有限元素分析設計之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程式語言撰寫程式作定位系統之整合控制。
本研究自行設計一利用槓桿原理之位移放大機構,並藉由商用ANSYS分析軟體進行設計上的應力及位移分析,利用最佳化功能快速分析出在材料的彈性範圍內,機構各部位最佳的尺寸值,並檢視是否有達到所設計的目標。
本研究之設計目標在於,利用行程只有15 μm之壓電致動器,推動一行程須達50 μm之短行程精密定位平台,並利用各項測試定義出微定位平台的性能,且與分析做比較。此定位平台經測試後,定位系統具有10 nm之步階定位能力,斜坡追蹤速度為5 nm/s,三軸之旋轉角最大為2.46〞,最大位移量為45 μm。
此整合系統之特點在於結構簡單、成本低廉、硬體需求不高。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 micro-nano-positioning system. The developed system mainly consists of a piezoelectric actuator, a displacement enlarged mechanism, a micro-nano-positioning stage analyzed by the finite element method software - ANSYS, an optical fiber interferometer system, and a PC. A set of software programmed with the LabView programming language was developed to conduct the PID control of the positioning system.
The designed micro-nano-positioning stage was constrained by four sets of double compound leaf springs cut by wire electrical discharge machining. The geometric dimensions of the leaf springs were determined by executing the optimization function using the ANSYS software, so that the induced maximum stress during deflection was in elastic range.
The maximum travel of the developed micro-nano-positioning stage was about 45 μm through the displacement enlarged mechanism driven by the piezoelectric actuator with a maximum travel of 15 μm. Based on the test results, the positioning capability of 10 nm under the slope tracing speed of 5 nm/s of the developed positioning system was possible. The maximum yaw error of the micro-nano-positioning stage was about 2.46 arc-seconds.

中 文 摘 要 I Abstract II 誌 謝 III 目 錄 IV 圖 索 引 VIII 表 索 引 XIII 符 號 表 XV 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 微/奈米定位平台之機構設計概念 6 2.1 壓電致動器之特性 6 2.1.1 壓電材料 6 2.1.2 壓電效應 8 2.1.3 壓電致動器之優缺點 9 2.1.4 遲滯效應 11 2.2 撓性結構 12 2.2.1 平板式撓性結構 14 2.2.2 撓性絞鍊 15 2.3 撓性放大器 17 2.4 微定位平台設計圖 18 第三章 模擬分析與結果 20 3.1 有限元素分析介紹 20 3.1.1 ANSYS有限元素法運算之基本步驟 23 3.2 ANSYS最佳化設計介紹 26 3.2.1 ANSYS最佳化設計的基本定義 26 3.2.2 ANSYS最佳化方法 28 3.2.3 最佳化分析流程 32 3.3 最佳化分析 33 3.3.1 前置處理器 34 3.3.2 求解處理器 39 3.3.3 後置處理器 40 3.3.4 頻率響應求解 46 3.4 分析與理論之比較 48 3.4.1 由尺寸求解位移量 49 3.4.2 由位移量反推各個尺寸 56 3.4.3 頻率分析與理論值之比較 58 3.5 平板彈簧之各部尺寸對位移量之影響比較 60 3.6 位移放大機構 63 3.7 微定位平台之應力、應變與位移分析 67 第四章 系統架構與分析測試 70 4.1 PID控制理論 70 4.1.1 PID閉迴路控制理論 70 4.2系統設備介紹 73 4.3 系統架構 76 4.4 微定位平台測試項目 77 4.4.1 平板彈簧加工誤差測試 77 4.4.2 雙平板彈簧位移量測試 79 4.4.3 自然頻率測試 80 4.4.4 偏擺角度測試 81 4.4.5 光纖干涉儀校正 82 4.4.6 靜態穩定度測試(開迴路) 83 4.4.7 靜態穩定度測試(閉迴路) 84 4.2.8 微定位平台之反應程度與解析度測試 85 第五章 實驗結果及數據分析 87 5.1 雙平板彈簧加工誤差測試結果 87 5.2 雙平板彈簧位移量測試結果 88 5.3 自然頻率測試結果 91 5.4 偏擺角度測試結果 92 5.5 光纖干涉校正結果 94 5.6 靜態穩定度測試結果(開迴路) 95 5.7 靜態穩定度測試結果(閉迴路) 100 5.8 微定位平台之反應程度與解析度測試結果 104 5.8.2 定速不定點斜坡軌跡追蹤測試結果 107 5.8.3 連續步階定位測試結果 112 5.9 微定位平台最大位移量 119 5.9.1 原設計之位移量 119 5.9.2 機構變更後之位移量 120 第六章 結論與未來研究方向 133 6.1 結論 133 6.2 未來研究方向 134 參考文獻 136

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