范光照臺灣大學：機械工程學研究所童昌賢Tung, Chang-HsienChang-HsienTung2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/60993隨著微、奈米技術的蓬勃發展，對於精密定位平台的需求日益增加，對雙軸的平台來說，多以兩個一軸的定位平台以堆疊的方式組合而成，這樣的平台誤差源多且需要昂貴的即時誤差感測及補償機構。長行程定位平台多以粗細平台整合的方式，提供長距離移動的粗動平台及微定位的微動平台，在組裝上也是會有誤差的增加，因而在本研究中擬以共平面的原理來設計一個雙軸的雙軸平台以減低此類誤差。 在精密定位機構中，多以壓電陶瓷材料來作為致動器，藉由施加的電場強度、頻率與波形的不同，來達成不同型態的形變，本研究中採用壓電陶瓷線性馬達來作為致動器，藉由不同驅動器的設計，達到共振式的驅動提供長距離移動，並發展直流模式驅動，使得壓電陶瓷馬達提供短距離的定位，藉著兩種驅動方式作為微米級長距離定位平台與奈米定位平台的精密驅動裝置，取代以往粗細平台整合的方式。 最後再以National Instrument之LabVIEW與DAQ介面卡搭配線性編碼器及ANORAD公司所生產之平台，加以訊號處理電路，完成定位系統程式之設計。For the development of micro- and nano-technology, the demand for high-precision-positioning stage become more vital. With many two-dimensional stages, they are composed of two one-dimensional stages. This approach will produce more assembly errors. As a result, time and money will be wasted in compensation. Most long-distance-positioning stages are composed of one-coarse stage that provides long movement; while a fine stage provides micro-positioning. In order to minimize these assembly errors, this research develops a co-planar two-dimensional stage. Piezoelectric ceramic material is regarded as the actuator in the design of the precision positioning devices. With distinct intensity of electric field, frequency and waveform applied to the material, the piezoelectric ceramic can transform into different types of mode shapes. In this research, Piezoelectric Ceramic Linear Motor (PCLM) is used as the actuator. Along with the design of different driving circuits, the driving of the resonant state provides long distance movement, and the driving of high voltage mode provides micro-positioning. Furthermore, the piezoelectric ceramic can be applied to long traveling distance in micrometer scale and precision driving device in nanometer scale with the two types of driving instead of the coarse-fine stage. In the design of the positioning program, the stage sold by ANORAD, the linear encoder and a signal processing circuit are used. In addition, the positioning program is accomplished with LabVIEW, and Data Acquisition (DAQ) cards produced by National Instrument.摘要 Ⅰ ABSTRACT Ⅱ 目錄 Ⅲ 圖例目錄 Ⅵ 表格目錄 XⅠ 第一章 緒論 1 1-1 研究緣起與目的 1 1-2 文獻回顧 7 1-3 研究方法與內容概要 14 第二章 共平面XY平台之設計 16 2-1 平台本體設計之概念 16 2-1-1 共平面運動之概念 16 2-1-2 精密滑動導軌之設計 18 2-1-3 平衡對稱設計觀念 18 2-2 平台設計修改與變更 19 2-3 平台相關分析 22 2-3-1 平台自重變形分析 24 2-3-2 平台受熱變形分析 28 2-3-3 平台受馬達施力變形量分析 30 2-3-4 平台變形總和 33 第三章 超音波馬達之驅動 36 3-1 壓電陶瓷馬達之運作原理與基本特性 36 3-1-1 壓電效應與壓電材料之應用 37 3-1-2 壓電伸致微動平台 43 3-1-3 超音波馬達之驅動原理 44 3-2 共振式驅動電路 49 3-2-1 壓電陶瓷馬達等效模型之建立 49 3-2-2 壓電陶瓷馬達等效電路建立 52 3-2-3 壓電陶瓷馬達驅動器電路設計 55 3-3 流模式驅動電路（DC mode） 60 第四章 定位系統之研發 64 4-1 定位控制程式軟體介面及硬體之介紹 64 4-1-1 LabVIEW 65 4-2-1 Data Acquisition Adapter Card 69 4-2 控制方法種類 72 4-2-1 脈衝寬度調變控制法 72 4-2-2 頻率速度控制法 74 4-2-3 輸出電壓速度控制法 75 4-3人機介面程式設計與規劃 76 第五章 驅動與定位系統之實驗分析 88 5-1 壓電陶瓷馬達驅動電路性質測試 88 5-1-1 共振式電路測試 88 5-1-2 直流模式驅動電路測試 93 5-2 平台定位系統精度測試 95 5-2-1 共振式驅動定位精度 96 5-2-2共振與直流模式驅動定位精度 99 第六章 結論與未來展望 104 參考文獻 1091512502 bytesapplication/pdfen-US共平面平台壓電陶瓷線性馬達coplanarstagepiezoelectric ceramic linear motorthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/60993/1/ntu-93-R91522708-1.pdf