عنوان پایان‌نامه
طراحی وتحلیل یک سیستم موقعیت دهی با استفاده از عملگر پیزو برای کاربردهای تست وبازرسی در ابعاد نانو
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک- ساخت و تولید
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس 2 فنی شماره ثبت: 1401;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 38701
- تاریخ دفاع
- ۱۹ شهریور ۱۳۸۷
- دانشجو
- عرفان محمودیان جگرلوئی
- استاد راهنما
- محمد محجوب
- چکیده
- موقعیت دهی دقیق و در ابعاد ریز یکی از ابزارهای مفید و پرکاربرد در بسیاری از علوم می باشد. هدف این پایان نامه طراحی و تحلیل یک موقعیت دهنده با دقت نانومتر که از عملگر پیزوالکتریک به عنوان عامل حرکتی استفاده می کند، می باشد. کاربرد مورد نظر موقعیت دهنده در تست و بازرسی نانو و به طور مشخص برای استفاده در میکروسکوپ های AFM می باشد. بر اساس پژوهش های پیشین، استفاده از مکانیزم های مفاصل خمشی بهترین گزینه برای نیل به این مطلوب می باشد. خصوصیاتی نظیر لقی ناچیز و درحدصفر، عدم وجود اصطکاک، و توانایی تولید جابجایی های پیوسته و کوچک این روش موقعیت دهی را از سایر روش ها متمایز می نماید. در این پایان نامه یک روش کامپیوتری عمومی و ساده به منظور استخراج معادلات حرکت برای مکانیزم مفاصل خمشی معرفی شده است. به منظور فرمول بندی معادلات حرکتی ، عبارات مربوط به انرژی های جنبشی و پتانسیل مکانیزم ها استخراج شده و معادلات لاگرانژ مورد استفاده قرار می گیرند. مدل ارائه شده با حل عددی معادلات حرکت، ویژگی های استاتیکی و دینامیکی مکانیزم را پیش بینی می کند. این روش برای تخمین سختی ، فرکانس طبیعی و پاسخ دینامیکی مکانیزم مفاصل خمشی بکارمیرود و در کاهش زمان و هزینه طراحی مؤثر می باشد. همچنین می تواند در بهینه سازی مکانیزم های مفاصل خمشی مورد استفاده قرارگیرد. به کمک روش ارائه شده می توان خطاهای حرکتی در مکانیزم های مفاصل خمشی را که بر اثر خطاهای ساخت مفصل ایجاد می شوند، به صورت کمی پیش بینی نمود. به این منظور در این پایان نامه اثرات تلرانس های ساخت بر عملکرد حرکتی یک مکانیزم مفاصل خمشی مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است. در نهایت طراحی و تحلیل یک موقعیت دهنده با قابلیت موقعیت دهی در ابعاد نانومتر که از مکانیزم مفاصل خمشی و عملگرهای پیزوالکتریک بهره می برد ،انجام شده است. موقعیت دهنده مذکور توانایی موقعیت دهی در صفحه XY و در راستاهای X و Y را دارا می باشد. همچنین با استفاده از مدل تحلیلی ارائه شده و روش الگوریتم ژنتیک چندهدفه NSGA II یک مسئله بهینه سازی برای طراحی بهینه موقعیت دهنده طرح و حل شده است و از طریق آن پارامترهای بهینه انتخاب شده اند. بر اساس نتایج بهینه سازی کورس حرکتی سکوی X برابر با و کورس حرکتی سکوی Y برابر و فرکانس طبیعی سیستم 122 Hz بدست می آید که این مقادیر با کاربرد درنظرگرفته شده برای موقعیت دهنده همخوانی دارند. یک مدل FEM از موقعیت دهنده در نرم افزار ABAQUS بر اساس اطلاعات حاصل از بهینه سازی، ایجاد شده و مورد تحلیل قرارگرفته است. نتایج شبیه سازی نتایج مدل تحلیلی را تأیید می کنند.
- Abstract
- Precision positioning in nano-scale is a growing demand and have many applications in most branches of science. The objective of this thesis is the design and analysis of an accurate piezo-embedded nano-positioning stage with application in nano microscopy; specifically as an AFM scanner. According to the literature, flexural hinge mechanism is found as the best methods for this propose. Characteristics like negligible backlash, no friction, and continuous fine motions has distinguished this method among others. This study also presents a general, computer-based and easy to use method that automatically generates equation of motion for flexure hinge mechanisms and solve them numerically to predict static and dynamic characteristics of the hinge mechanism. The modeling approach is also helpful in optimizing the mechanism design. In addition, various types of manufacturing imperfection arising during the manufacturing for the hinge mechanism are presented and the associated positioning errors are quantitatively predicted using the proposed model. Design and analysis of a prototype flexure hinge-based piezo-driven nano-positioning stage is carried out. The stage has the ability of positioning in X and Y directions of XY plane. Using the presented mathematical modeling method and multi objective genetic algorithm (NSGA II), an optimization problem is introduced and solved within MATLAB environment. According to the optimization results, the stage has strokes equal to and in X and Y directions, respectively. The natural frequency of system is found to be 122 Hz. A finite element model (FEM) of the optimized stage is created in ABAQUS. Simulation results are in full agreement with the results obtained in analytic modeling method.
