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Compliant mechanisms are state of the art in technical applications, especially in precision engineering. They mostly achieve their motion due to bending-dominated deformation of their compliant segments, i.e. flexure hinges. Accurately analyzing a compliant mechanism in dependence of specific flexure hinges is still a challenging task due to the monolithic design and non-linearities caused by large deflections. Most existing accurate analytical models are restricted to single hinges. Therefore, this paper presents a non-linear analytical approach to calculate the elasto-kinematic properties of arbitrary planar compliant mechanisms. The approach is based on the theory for large deflections of rod-like structures. As a typical example, a compliant parallel four-bar linkage with varying compliant segments is investigated by means of the proposed analytical approach. The motion and deformation behavior are numerically calculated with the use of MATLAB®. It is shown, that the analytical results are in good correlation with FEM-based simulations and measurements of a manufactured prototype. To demonstrate the generality of the proposed method, two further and more complex mechanism examples are considered. As a result, the implemented modeling approach allows an accurate and fast analysis as well as synthesis of manifold planar compliant mechanisms with distributed or concentrated compliance.

Ein wesentlicher Treiber in vielen heutigen Technologiebereichen ist die Miniaturisierung von elektrischen, optischen und mechanischen Systemen. Mehrachsige Geräte mit großen Verfahrbereichen und extremer Präzision spielen dabei nicht nur in der Messung und Qualitätssicherung, sondern auch in der Fabrikation und Manipulation von Nanometerstrukturen eine entscheidende Rolle. Die vertikale Bewegungsaufgabe stellt eine besondere Herausforderung dar, da die Schwerkraft des bewegten Objektes permanent kompensiert werden muss. Diese Arbeit schlägt dafür eine Vertikalhub- und -aktuiereinheit vor und trägt damit zur Weiterentwicklung von Nanometer-Präzisionsantriebssystemen bei. Grundlegende mögliche kinematische Integrationsvarianten werden betrachtet und entsprechend anwendungsrelevanter Kriterien gegenübergestellt. Der gezeigte parallelkinematische Ansatz zeichnet sich durch seine gute Integrierbarkeit, geringe negative Einflüsse auf die umliegenden Systeme, sowie die Verteilung der Last auf mehrere Stellglieder aus. Folgend wird ein konstruktiver Entwicklungsprozess zusammengestellt, um diese favorisierte Variante weiter auszuarbeiten. Im Laufe dieses Prozesses wird die zu entwickelnde Einheit in das Gesamtsystem eingeordnet und ihre Anforderungen, Randbedingungen und enthaltenen Teilsysteme definiert. Die vertikale Aktuierung besteht dabei aus zwei Systemen: Einer pneumatische Gewichtskraftkompensation und einem elektromagnetischen Präzisionsantrieb. Das technische Prinzip der Hubeinheit wird erstellt und die Teilsysteme im verfügbaren Bauraum angeordnet. Daraus wird ein detailliertes Modell des pneumatischen Aktors abgeleitet, dieser dimensioniert und dessen Eigenschaften bestimmt. Die Ausdehnung dieses Teilsystems definiert die räumlichen Grenzen für den umliegenden Präzisionsantrieb. Zur Auslegung dieses Antriebs wird das Kraft-/Leistungsverhältnis als Zielgröße definiert. Mit Hilfe von numerischer Simulation und Optimierung werden Geometrien für verschiedenste Topologien entworfen und bewertet. Die geeignetste Variante wird mit allen Teilsystemen in eine Einheit integriert und auskonstruiert. Abschließend werden zukünftige Schritte für die Integration der Einheit in ein Präzisionsantriebssystem dargestellt und mögliche Anwendungsszenarien in der Nanofabrikation präsentiert.

Cross-spring pivots have been widely employed over the last decades in a broad variety of precision engineering applications due to the high motion repeatability achieved thanks to the absence of stick slip and clearance. In this paper, the non-linear effect of the anticlastic curvature of the leaf-springs is considered for the accurate analytical modeling of the elasto-kinematic behavior of cross-spring pivots. Finite element analyses (FEA), based on a non-linear thin-shell model, are carried out in order to compare them with the analytical results for the main performance parameters of this type of device, i.e. center-shift, rotational stiffness and stress in the leaf-springs. Furthermore, an experimental setup is built to assess the applicability limits of both models. Finally, remarkable performance aspects of cross-spring pivots are discussed aiming for design improvements.