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分子测量机宏微结合机构的原理分析与不确定度估计

作　者: 郭冬妮
导　师: 赵学增
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 分子测量机宏微结合机构误差源分析精度分配
分类号: TP216
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

继80年代初扫描隧道显微镜（SEM）出现之后，人类又陆续发明了一系列测量分辨率可达原子量级的检测技术与仪器，人们对微观领域的探索不断深入。尤其是微纳技术不断发展，带动半导体行业、医学、材料学、制造业等相关领域不断进步。如今人们已经不能满足于单纯的观看到微观世界，迫切的需要大范围的测量到微观世界以指导各项领域进一步发展。分子测量机正是基于上述应用背景而提出来的，分子测量机的测量范围是50mm×50mm×100um，测量范围内任意点对点的测量不确定度是1nm，测量分辨率是0.1nm。本文以分子测量机为背景，研究分子测量机核心机构中宏微结合机构的原理，对宏微结合机构进行结构设计，同时基于精度要求对X、Y维宏微结合机构中的微动台进行优化设计，利用有限元软件对优化后的结果进行分析验证。之后建立基于六轴激光干涉仪系统的测量模型和误差模型，以此指导宏微结合机构的误差源分析。结合宏微结构的设计方案对各个误差源的产生原理进行探究，推导不确定度分量的计算公式，利用现有高精度的误差分离仪器对按等作用原则分配的精度做出合理的调整，提出各运动部件的精度设计指标。最后基于ANSYS和MATLAB软件对宏微结合机构中的关键部位微动台进行加工误差仿真，研究在加工误差影响下微动台的位移特性和力学特性的变化，以此确定微动台合理的加工精度，并指导激光干涉仪的检测方案，提高检测和修正效率。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-16
  1.1 课题研究的目的和意义  8-10
    1.1.1 分子测量机的研究意义  8-9
    1.1.2 宏微结合机构的研究意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-15
    1.2.1 微观表面测量仪器的发展过程  10-13
    1.2.2 宏微结合机构的发展过程  13-15
  1.3 主要研究内容  15-16
第2章宏微结合机构的设计与优化  16-34
  2.1 宏微结合机构的设计方案  16-17
  2.2 X维微动机构的设计与优化  17-27
    2.2.1 传动机构的设计  17-20
    2.2.2 微动台模型的理论分析  20-25
    2.2.3 微动台的优化与仿真  25-27
  2.3 X维宏微结合机构的系统设计  27-28
  2.4 Z维机构的设计  28-33
    2.4.1 粗进给系统的设计  28-31
    2.4.2 总体机构的设计  31-33
  2.5 本章小结  33-34
第3章宏微机构的测量模型与误差模型  34-40
  3.1 基于多轴激光干涉仪系统的测量模型  34-36
  3.2 宏微结合机构的误差模型  36-39
    3.2.1 坐标转移矩阵的建立  36-37
    3.2.2 测端位置误差表达式的建立  37-39
  3.3 本章小结  39-40
第4章宏微机构的误差源分析与不确定度估计  40-49
  4.1 误差源分析  40-45
    4.1.1 定位误差  40-42
    4.1.2 测量光线与参考镜不垂直误差  42-43
    4.1.3 角运动误差  43
    4.1.4 垂直度误差  43-44
    4.1.5 环境误差  44-45
    4.1.6 同步测量的时间同步误差  45
    4.1.7 其它误差  45
  4.2 等作用原则的精度初步设计  45-46
  4.3 X轴精度设计  46-48
    4.3.1 阿贝误差  46
    4.3.2 测量光线与参考镜不垂直误差  46-47
    4.3.3 垂直度误差  47
    4.3.4 环境误差  47-48
    4.3.5 其它误差  48
  4.4 本章小结  48-49
第5章微动台加工误差模型仿真  49-74
  5.1 双柔性平行四杆机构的参数化有限元模型  49-51
  5.2 双柔性平行四杆机构加工误差的影响分析  51-73
    5.2.1 铰链半径R的加工误差影响分析  53-56
    5.2.2 铰链最小厚度t的加工误差影响分析  56-58
    5.2.3 铰链臂长L的加工误差影响分析  58-61
    5.2.4 铰链切口轴心线绕质心Z轴的加工误差影响分析  61-65
    5.2.5 铰链切口轴心线绕X轴的加工误差影响分析  65-69
    5.2.6 铰链切口轴心线绕Y轴的加工误差影响分析  69-73
  5.3 本章小结  73-74
结论  74-75
参考文献  75-79
致谢  79

分子测量机宏微结合机构的原理分析与不确定度估计

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