为了解决离子电导显微成像系统中传统跳跃工作模式高速扫描时存在的运动过冲以及成像速度慢的问题, 提出了一种基于双压电纳米定位平台的高速扫描方法。根据扫描系统需求提出了采用大行程-慢速和小行程-快速压电纳米定位平台串联的设计方案, 满足探针Z向测量量程要求并可快速回提探针。以菱形位移放大机构和导向机构为构型, 设计并确定双压电驱动扫描平台的关键几何参数。基于解析模型计算了定位平台的静力学性能参数并采用有限元分析方法分析了双压电平台的静/动态特性。最后, 加工了双压电平台样机并进行了离子电流过冲和形貌扫描成像的测试。实验结果表明: 所设计的双压电驱动探针定位平台在保证成像稳定的前提下可使下探速度至少达到500 nm/ms,有效地减小了电流过冲, 提高了系统成像效率。

为了满足电子封装产业对胶体高速、微量分配的需求, 设计了一种基于圆弧柔性铰链放大机构的双压电陶瓷驱动喷射点胶阀。首先, 利用有限元分析软件对放大机构输出位移和模态进行了计算与分析。针对其高频需求, 讨论了结构参数对其影响因素。基于微元法并结合喷嘴内胶体动力学分析, 建立了喷嘴内胶体喷射的流体力学模型。结合阀杆与阀座配合的仿真模型, 利用FLOW-3D的流固耦合仿真, 揭示了喷射点胶时胶点的成型过程。在此基础上探究了胶体喷射时喷嘴处压力的变化与流速的关系, 为点胶阀参数的控制和优化奠定了基础。最后, 搭建了喷射系统实验平台, 选用黏度为180 cps的胶体进行点胶性能测试, 得出了供料压力和驱动方波频率对胶点尺寸的影响规律。实验结果显示, 在供料压力为6 bar, 驱动方波幅值频率360 Hz等参数下, 获得胶点最小直径为525 μm。同时, 在380～400 Hz的频率区间内进行高频喷射实验, 能够获得均匀微小的圆形胶点。实验结果验证了该圆弧柔性铰链放大机构的双压电驱动点胶阀的高频、微量喷射性能, 为压电高频喷射点胶的应用和研究提供了参考。

柔顺桥式位移放大机构因结构紧凑、位移放大倍数大等优点已成为精密工程领域的研究热点。针对以往研究仅在线性范围内讨论桥式位移放大机构的设计与分析的问题, 本文对典型集中柔度桥式位移放大机构进行了非线性建模与优化。考虑剪切作用与几何非线性, 通过能量法、有限单元法与数值拟合, 对机构的输入输出关系进行半解析建模, 以实现非线性结果的快速预测。为实现输出位移最大化与抑制几何非线性作用, 提出机构平面内尺寸与厚度的综合优化策略。ANSYS Workbench有限元仿真显示, 机构非线性建模误差均在5%以内且优化结果具备有效性。本文提出的两步法半解析非线性建模方法以及平面内尺寸和厚度的综合非线性优化策略对其它复杂柔顺机构的非线性结果快速预测与优化设计具有参考意义。

针对光学稳像系统的双向动态大行程的设计要求, 本文设计了一种可伸缩双向作动的压电作动器, 并基于此压电作动器设计了二自由度稳像机构。压电作动器由一个收缩式三角位移放大机构和一个伸张式三角位移放大机构组成。位移放大机构可为压电平台提供足够的行程, 柔性铰链可使平台结构更加紧凑。接着, 利用有限元分析软件ANSYS对平台结构进行静力学仿真, 模拟了平台的位移和应力变化。最后对原理样机进行了实验分析, 实验结果显示所设计压电平台在低电压和低频率下有足够大的行程和足够快的响应速度, 作动器在120 V电压下的输出位移在67 μm左右, 基本满足稳像系统的性能要求, 故平台结构的设计方案是可行的。

采用新型高精度类V型柔性铰链设计了柔性微位移放大机构,以减小该类机构的寄生运动并提高其动力学性能。对类V型柔性铰链与最常见的高精度直圆型柔性铰链的性能进行了比较; 在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上, 基于弹性力学和材料力学理论推导了基于类V型柔性铰链和基于直圆型柔性铰链的两类二级杠杆式微位移放大机构的放大比。采用ANSYS软件, 建立了放大机构的有限元模型, 验证了位移放大比的理论推导, 并对上述两类放大机构的位移放大比、寄生运动和固有频率进行了仿真和比较。有限元分析结果显示: 基于类V型柔性铰链的放大机构有着更小的寄生运动和更高的固有频率, 且前2阶固有频率分别是基于直圆型柔性铰链放大机构的1.68倍和1.41倍。最后, 采用微视觉测量系统测量了两类放大机构的位移放大比和寄生运动。结果表明: 基于类V型和直圆型柔性铰链放大机构的放大比和相对寄生运动比分别为4.387、4.529和0.314 7、0.334 2, 显示类V型柔性铰链用于微位移放大机构可有效减小寄生运动并提高动力学性能。

为了增加压电陶瓷驱动快速反射镜的偏摆范围, 对菱形微位移放大机构进行了研究设计。首先介绍了菱形结构的放大原理并利用变形能法分析了影响菱形结构性能的关键参数, 然后建立了快速反射镜系统要求与菱形结构设计要求之间的联系, 并根据自行设计的快速反射镜系统选择了菱形结构的关键参数, 最后通过有限元仿真对菱形结构和快速反射镜系统进行了模态分析并对快速反射镜的偏摆范围进行了实验测试。仿真与实验结果表明, 快速反射镜的偏摆范围大于 6′, 低阶谐振频率约为400 Hz, 满足了快速反射镜的系统要求。文中研究得出, 菱形结构的位移放大倍率与最大驱动力是此消彼长的两个性能, 可以通过合理调整菱形长轴与菱形边夹角以及菱形边宽度使两个性能同时满足系统设计要求。