随着纳米科学技术的快速发展,科研工作者的研究方向越来越趋向微小领域,例如纳米材料等研究方向。为研究微观世界的材料属性,测量其机械和电学性能,微纳操作系统的开发越来越受到学术界的重视,且已取得显著的研究成果,诸如:纳米操作机、纳米材料测试仪以及原子力显微镜等。此类微纳操作系统常需借助扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)的视觉伺服反馈功能对纳米材料进行操作与表征,这就对微纳操作系统的体积和定位精度提出了新的挑战。本文在此背景下提出了一种新型跨尺度精密定位平台的设计方案,并对其中的关键技术进行了研究。本课题基于国内外跨尺度粘滑驱动精密定位装置设计的微纳操作系统的研究现状和粘滑驱动纳米定位平台的发展趋势,针对应用此平台开发的微纳操作系统存在的问题,提出了双压电陶瓷驱动的跨尺度纳米定位方法。结合摩擦学理论知识建立了定位平台的数学方程和物理模型,最终研制出一种新型跨尺度精密定位平台。本文从双压电陶瓷驱动系统的运动原理、动力学模型、结构和驱动电源设计以及验证实验这四个方面进行了深入研究。(1)双压电陶瓷驱动原理的研究。通过对粘滑驱动原理的描述,分析粘滑驱动定位平台存在的局限性,并针对基于粘滑驱动定位平台设计的纳米操作系统存在的问题,提出双压电陶瓷驱动原理。在对粘滑驱动原理的描述基础上分析双压电陶瓷驱动原理的运动特性。通过对比分析静态摩擦模型和动态摩擦模型,最终选用Lugre摩擦模型来描述导轨与柔性传动件之间的摩擦现象。(2)定位平台动力学模型的建立及分析。为进一步分析定位平台的运动规律和动态参数对其运动性能的影响,须对定位平台的理论模型进行仿真分析。首先,通过建立压电陶瓷的电学平衡方程和力学平衡方程来创建其机电转换数学模型;其次,将压电陶瓷致动器与柔性传动件视为一个运动单元,将这个运动单元作为定位平台的驱传动系统,并对该系统进行动力学建模;最后,将Lugre摩擦模型应用到驱传动系统的动力学模型中,构建了定位平台整体动力学模型,并通过Matlab软件中的Simulink动力学仿真模块对此动力学模型进行了仿真分析。(3)定位平台的系统设计。该系统采用大压电陶瓷和小压电陶瓷机械式串联分时驱动柔性传动件的设计方案,并选用Solidworks三维绘图软件绘制柔性传动件的初始结构。首先,重点分析柔性铰链在运动过程中的变形特点再结合压电陶瓷致动器的输出力与输出位移之间的关系曲线,计算出柔性铰链的理想刚度范围;其次,利用有限元仿真软件ANSYS Workbench分析柔性铰链的刚度、校核柔性传动件的强度和计算共振频率;再次,根据定位平台驱动信号的要求设计压电陶瓷驱动电源;最后,设计出定位平台的整体结构并研制出样机。(4)定位平台的实验研究。根据双压电陶瓷驱动定位平台运动性能的测试内容搭建测试系统。从运动模式的角度将定位平台的运动性能测试分为小压电陶瓷步进模式性能测试和大压电陶瓷扫描模式性能测试,该实验内容主要包括测试定位平台的分辨率、最小步长、最大运动速度、负载能力以及动态参数对定位平台运动性能的影响规律等。通过对比分析实验结果与动力学仿真分析所得到的理论数据,验证定位平台结构的合理性。