【摘要】：精密定位技術(shù)是提升國家核心競爭力和綜合國力的戰(zhàn)略選擇,而微定位平臺的控制系統(tǒng)設計是精密定位技術(shù)的關(guān)鍵部分。分布柔度式平面柔順機構(gòu)作為一種新型的微定位機構(gòu),其不僅具有柔性機構(gòu)無摩擦磨損、無運動間隙和免裝配潤滑的優(yōu)點,還具有并聯(lián)機構(gòu)多運動維度、穩(wěn)定高和承載能力強的特性。基于分布柔度式平面柔順機構(gòu)的微定位平臺運動精度高、行程大、動態(tài)響應快、體積小,并且可以達到亞微米級的定位精度和納米級的分辨率。因而,分布柔度式平面柔順機構(gòu)可廣泛應用于精密工程、微納制造、微電子技術(shù)等尖端領域,其運動特性分析和控制系統(tǒng)設計已成為國內(nèi)外學者關(guān)注的焦點。本文以分布柔度式平面柔順機構(gòu)為研究對象,主要探討了機構(gòu)的運動學特性和動力學特性,分析了機構(gòu)控制器的設計及其控制系統(tǒng)的建立,最后通過實驗測試驗證了機構(gòu)建模和理論分析的正確性。具體的研究內(nèi)容如下:(1)基于分布柔度式平面柔順機構(gòu)的矢量同構(gòu)模型,采用微位移法對機構(gòu)進行運動學分析,得到了機構(gòu)的輸入輸出Jacobian矩陣。通過仿真得到了機構(gòu)的位移/轉(zhuǎn)動云圖和應力云圖,驗證了機構(gòu)的運動特性和Jacobian矩陣的有效性。(2)運用拉格朗日方程(Lagrange法),建立了分布柔度式平面柔順機構(gòu)的剛體動力學模型;基于梁單元模型和運動彈性動力學原理(KED法),建立了分布柔度式平面柔順機構(gòu)的彈性動力學模型。在此基礎上,對機構(gòu)進行模態(tài)分析,得到了機構(gòu)的三階固有頻率和振型圖,驗證了機構(gòu)動力學模型的有效性。(3)基于分布柔度式平面柔順機構(gòu)的彈性動力學方程和濾波器,設計了一種滑模變結(jié)構(gòu)控制器(SMC),并構(gòu)造了李雅普諾夫(Lyapunov)函數(shù)來證明該控制器的穩(wěn)定性。結(jié)合S-Function函數(shù)和Simulink框圖,建立了機構(gòu)的控制系統(tǒng)。通過仿真,得到了機構(gòu)的位移軌跡跟蹤曲線及其誤差曲線。(4)對分布柔度式平面柔順機構(gòu)進行實驗測試,得到了機構(gòu)輸出耦合、定位精度和運動軌跡三個方面的實驗數(shù)據(jù),并將其與理論計算值進行比較,分析了數(shù)據(jù)誤差產(chǎn)生的原因,驗證了機構(gòu)理論分析的正確性。
[Abstract]:Precision positioning technology is a strategic choice to enhance national core competitiveness and comprehensive national strength, and the control system design of micro-positioning platform is the key part of precision positioning technology. As a new type of micro-positioning mechanism, the distributed flexibility planar compliant mechanism not only has the advantages of no friction and wear, no movement clearance and no assembly lubrication, but also has multiple kinematic dimensions of parallel mechanism. High stability and high bearing capacity. The micro-positioning platform based on distributed flexibility planar compliant mechanism has high motion accuracy, large stroke, fast dynamic response, small volume, and can achieve sub-micron positioning accuracy and nanoscale resolution. Therefore, the distributed flexibility planar compliant mechanism can be widely used in the fields of precision engineering, micro / nano manufacturing, microelectronics technology and so on. The analysis of its motion characteristics and the design of its control system have become the focus of attention of scholars at home and abroad. In this paper, the kinematic and dynamic characteristics of the distributed compliance planar compliant mechanism are discussed, and the design of the controller and the establishment of the control system are analyzed. Finally, the correctness of mechanism modeling and theoretical analysis is verified by experimental test. The specific research contents are as follows: (1) based on the vector isomorphism model of the distributed compliance planar compliant mechanism, the kinematics analysis of the mechanism is carried out by using the micro-displacement method, and the input and output Jacobian matrix of the mechanism is obtained. The displacement / rotation cloud diagram and stress cloud diagram of the mechanism are obtained by simulation. The kinematic characteristics of the mechanism and the validity of the Jacobian matrix are verified. (2) the Lagrangian equation (Lagrange method) is used. The rigid-body dynamics model of the planar compliant mechanism with distributed flexibility is established. Based on the beam element model and the principle of kinematic elastodynamics (KED method), the elastic dynamic model of the distributed flexibility planar compliant mechanism is established. On this basis, the modal analysis of the mechanism is carried out, and the third order natural frequency and mode diagram of the mechanism are obtained, which verifies the validity of the dynamic model of the mechanism. (3) based on the elastic dynamics equation and filter of the distributed compliance type planar compliant mechanism, A sliding mode variable structure controller (SMC),) is designed and the Lyapunov (Lyapunov) function is constructed to prove the stability of the controller. Combined with S-Function function and Simulink block diagram, the control system of the mechanism is established. Through simulation, the displacement trajectory tracking curve and its error curve of the mechanism are obtained. (4) the experimental data of the distributed flexibility planar compliant mechanism are obtained in three aspects: output coupling, positioning accuracy and motion track. Compared with the theoretical calculation, the reason of the data error is analyzed, and the correctness of the mechanism theory analysis is verified.
【學位授予單位】：江西理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH112

【參考文獻】

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本文編號：2321993