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研究生: 廖述鐘
Shu-chung Liao
論文名稱: 運用橋型放大機構設計單軸微/奈米定位平台
Design of a Closed-Loop Micro-/Nano- Positioning Stage with Bridge Displace-ment Amplification Mechanism
指導教授: 修芳仲
Fang-jung Shiou
口試委員: 曾垂拱
Chwei-goong Tseng
林紀穎
Chi-ying Lin
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: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 107
中文關鍵詞: 微/奈米定位平台ANSYS平板彈簧光纖干涉儀PID控制
外文關鍵詞: micro-/nano-positioning stage, ANSYS software, double compound leaf spring, optical fiber interfero-meter system, PID control
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  • 本研究旨在開發一閉迴路微/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。
    本研究利用對稱式橋型位移放大機構設計,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。
    依據實驗結果,所研製之定位平台其位移可達50 μm,三軸之旋轉角最大為3.43〞。此定位平台經測試後,在以PC based下所建立的閉迴路PID控制系統,步階定位能力可控制在10 nm,斜坡追蹤速度為50 nm/s。
    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 micro-/nano-positioning system. The developed system mainly consists of a piezoelectric actuator, a bridge mechanism for displacement magnification, a micro-/nano-positioning stage body analyzed by the FEM software ANSYS, an optical fiber interferometer system, and a PC. A set of software written with the LabView programming language was developed to construct the PID closed-loop control of the developed positioning system.
    A bridge displacement amplification mechanism has been de-signed to enlarge the travel of PZT actuator. After executing the optimization analyses of the displacement, stress, and the fre-quency, using the ANSYS software, the dimensions of the stage body have been designed and determined.
    Based on the test results, the designed closed loop mi-cro-/nano-positioning system was capable of precision positioning within the travel of 50μm. The positioning capability was about 10 nm under the slope tracing speed of 50 nm/s by the PC-based PID control. The maximum pitch error of the stage moving along x-direction was about 3.43 arc-seconds.

    中文摘要 I Abtract II 誌 謝 III 目 錄 IV 圖目錄 VIII 表目錄 XIII 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 3 第二章 設計概念 5 2.1 壓動致動器特性 5 2.1.1 壓電材料 5 2.1.2 壓電致動器之優缺點 6 2.1.4 壓電致動器之形式 7 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 15 2.3 撓性放大器 18 2.4微定位平台設計機構 21 2.5 微定位平台初步設計圖 22 第三章 模擬分析與結果 24 3.1 有限元素分析介紹 24 3.1.1 ANSYS有限元素法運算之基本步驟 26 3.1.2 ANSYS最佳化設計介紹 30 3.2 ANSYS有限元素分析 35 3.3 平台最佳化設計 40 3.4 平台最佳化結果與比較 43 3.5 平台放大倍率之探討 46 3.6 PZT與平台之模擬 48 3.6.1 PZT之模擬 48 3.6.2 PZT整合平台之模擬 55 3.7 平板彈簧變形之修正公式推導 57 3.8 完成之平台設計圖 62 第四章 實驗方法與步驟 64 4.1 PID控制理論 64 4.1.1 PID閉迴路控制理論 64 4.2系統設備介紹 66 4.3 系統架構 69 4.4 微定位平台測試項目 71 4.4.1 實體加工誤差測試 71 4.4.2 自然頻率測試 72 4.4.3 光纖干涉儀角度參數補償 73 4.4.4 平台最大位移量測試 74 4.4.5 偏擺角度測試 75 4.4.6 微定位平台之反應程度與解析度測試 77 第五章 實驗結果及數據分析 79 5.1 實體加工誤差測試結果 79 5.2 自然頻率測試結果 80 5.3 光纖干涉儀角度補償參數 81 5.4 平台最大位移量測試 83 5.5 偏擺角度測試 85 5.6 微定位平台之反應程度與解析度測試 87 5.6.2 步階暫態響應測試 87 5.6.2 連續步階測試 88 5.6.3 斜坡軌跡追縱測試 94 第六章 結論與未來展望 101 6.1 結論 101 6.2 未來研究方向 101 參考文獻 104 作 者 簡 介 107

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