为了实现高精度的运动学支撑结构的设计, 研究了切向双脚架-运动学支撑结构的柔度。介绍了切向双脚架-运动学支撑结构的设计原理。根据单边直圆柔性铰链的柔度公式, 推导了双脚架在X、Y和Z轴方向的等效柔度Cx、Cy和Cz的解析式。采用有限元分析和试验验证的方法, 对双脚架的柔度解析式进行了分析验证。结果表明: 解析式结果与有限元结果、试验结果基本一致, 且误差均小于9.8%。研究了单边直圆柔性铰链的柔槽深度R和最小厚度t对双脚架柔度Cx、Cy和Cz的影响, 得到了双脚架的等效柔度均与柔槽深度R成正比, 与最小厚度t成反比的结论。为空间相机上的科学仪器的切向双脚架-运动学支撑结构的设计提供理论参考。

为了提高选择顺应性装配机器手臂(SCARA)机器人平面定位的精度, 采用网格模型结合最小距离误差逼近的方法, 首先构建SCARA机器人平面定位的简化模型, 概述网格模型构建原理, 然后通过视觉采集机器人末端第1次到达的实际点与期望点相对位置关系, 构建可变参量的起始网格模型, 再采用最小距离误差逼近, 求解下一步构建可变参量网格模型起始点, 最后由期望点在网格模型中位置分布情况决定模型粒度点的收敛更新方向。结果表明, 视觉引导的定位补偿策略弥补了因模型不精准而造成的平面定位精度不高的现象; 空间插值补偿法定位精度为1mm~3mm, 平面定位补偿精度较之有较大提高。该方法调节的参量单一、机器末端移动次数明确、工业应用性强。

设计了一种电容位移传感器在线标定平台, 用于位移的高精度调节和检测。该平台的运动对称中心轴、测量光路的对称中心轴和传感器的传感轴共轴, 故从测量原理上减小了阿贝误差。标定平台具有z/tip/tilt调节功能, 保证了传感器的传感面和被测面板的被测面之间的装调对准。介绍了标定平台的组成和标定方法的原理, 采用对称平行四边形机构实现了微位移调节, 基于柔度矩阵法(CMM)分析了导向机构的输出柔度和行程。试验测得动平台行程为735.162 μm, 和有限元法(FEM)、CMM计算结果的误差分别为7.410%和4.633%, 满足行程误差要求。经过标定补偿后, 传感器的线性度由0.014 21%提高至0.006 231%。实验结果显示, 该线性度标定方法精度高, 标定后的传感器满足位移精密调节机构使用要求。

分析与研究了柔性铰链的柔度特性, 用于柔性放大机构的优化设计。提出了一个通用的柔度比参数λ, 探讨了具有不同柔度比λ的柔性铰链主要输出位移形式的灵敏度, 分析了它对常用柔性铰链的柔度特性的影响规律。然后, 以柔性铰链的柔度比λ为基本参数, 在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上, 推导了二级杠杆式柔性铰链放大机构放大率的理论计算方法, 并依据柔性铰链的柔度比特性提出了柔性放大机构的优化设计方法。开展了有限元仿真和实验研究。结果显示, 优化后的柔性放大机构的放大率比优化前的放大率分别提高了0.234和0.23。实验表明, 依据柔性铰链的柔度比λ对柔性放大机构进行优化设计能够有效地提高柔性放大机构的位移放大率与工作行程, 进而提高放大机构的末端运动及定位精度。

为了找出耦合误差产生的根源, 探讨了柔性偏心机构设计方法.首先, 给出了机构组成和工作原理；然后, 基于柔度矩阵法对机构建模, 分别推导了桥式位移放大机构、导向机构、连接机构的柔度；最后, 综合得到机构的整体柔度.分析结果表明柔度矩阵法得到的输出柔度理论值和有限元法得到的结果误差为8.126%, 机构的一阶固有频率为73.78 Hz.在40N的驱动力范围内, 机构可以实现66.466 μm的行程, 透镜和机构上的最大应力分别为0.0711 MPa和235.22 MPa, Y/Z/RX/RY/RZ耦合误差和X向行程的比分别为0.0543%、0.0082%、1.218×10－8rad/μm、1.870×10－7rad/μm、6.073×10－7rad/μm.调节后镜片面形PV值优于24 nm, RMS值优于5 nm, 并且主要为像散.通过合理的柔度设计, 机构接近完全解耦, 揭示了不合理的机构刚度是产生调节耦合误差的根源.

基于线弹性和小变形假设理论, 通过引入比例系数(直圆柔性球铰槽口间距与切割半径倍数之比)并利用其结构对称的特点, 推导得到了形式较为简洁的直圆柔性球铰柔度矩阵各子元素的解析柔度计算公式。利用有限元仿真软件验证了所推公式的正确性, 并绘制了相应的误差曲线。结果表明: 当比例系数小于0.2时, 直圆柔性球铰各柔度计算公式的相对误差限均在11%以内; 随着比例系数的增加, 除沿x向的拉压柔度C11误差较小外, 其他柔度计算公式的误差均呈增加的趋势, 最大误差为30%。实验结果显示理论分析与仿真结果基本趋于一致, 验证了直圆柔性球铰各柔度解析式的正确性。本文的研究内容为直圆柔性球铰在实际应用中的结构设计和参数优化奠定了理论基础。

为了实现曝光工作过程中深紫外投影光刻物镜的动态稳定性，设计了一种能够消除温度和应变影响的光学元件运动学支撑结构，研究了如何利用该支撑结构消除温度变化和外界应变对光学元件面形的影响。首先，计算单个支座的径向柔度，并与有限元分析结果进行比较。然后，分析在不同温度载荷和外界应变工况下光学元件上、下表面面形的变化，并与三点胶粘固定支撑方式下的结果进行了比较。计算结果表明：通过理论公式推导的支座径向柔度与仿真结果的误差绝对值小于22%; 温度升高01 ℃时光学元件上下表面面形RMS值小于036 nm; 平面度公差5 μm时面形RMS值小于005 nm。与三点胶粘固定方式相比，运动学支撑方式能够有效消除温度变化和外界应变对光学元件表面面形的影响。