發(fā)布時(shí)間：2020-07-13 17:18

【摘要】：近幾十年來(lái),越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的學(xué)者開(kāi)始重視微納定位技術(shù)的研究。在微納定位系統(tǒng)中,微角位移平臺(tái)主要用于產(chǎn)生微角位移,在遙感衛(wèi)星、精密加工、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著角位移平臺(tái)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展以及精度要求不斷提高,微角位移平臺(tái)正朝著高分辨力、大工作行程、三自由度且結(jié)構(gòu)緊湊的研究方向發(fā)展。而結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究設(shè)計(jì)可以發(fā)現(xiàn),在其他限制條件保持不變的情況下,大行程與高分辨力相互制約,現(xiàn)有的角位移平臺(tái)很難做到兩者兼顧;對(duì)于三自由度微角位移平臺(tái),其功能通常通過(guò)子平臺(tái)堆疊的形式實(shí)現(xiàn),子平臺(tái)數(shù)目會(huì)隨著微角位移平臺(tái)自由度的增加而增加,從而導(dǎo)致角位移平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜;因此微角位移平臺(tái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度與多自由度兩者之間也很難達(dá)到平衡。同時(shí),由于三個(gè)自由度方向的角位移實(shí)現(xiàn)方式存在差異,導(dǎo)致各自由度的角位移分辨力很難達(dá)到同一量級(jí),從而導(dǎo)致系統(tǒng)整體的性能指標(biāo)下降。本課題“三自由度微角位移系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”針對(duì)三自由度微角位移平臺(tái)的分辨力與工作行程、整體尺寸與運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)量相互制約,各自由度輸出角度分辨力不在同一量級(jí)的問(wèn)題展開(kāi)研究,設(shè)計(jì)了一種三自由度分辨力為0.01″、工作行程至少為0～75″、響應(yīng)頻率達(dá)100Hz以上、體積尺寸小于100mm×100mm×100mm的三自由度微角位移平臺(tái)。論文主要研究?jī)?nèi)容如下:首先,分析了微角位移平臺(tái)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)了微角位移平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)方案。對(duì)目前微角位移平臺(tái)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究和分析,針對(duì)現(xiàn)有微角位移平臺(tái)中很難同時(shí)兼顧高分辨力和大行程、平臺(tái)整體尺寸和自由度數(shù)目相互制約的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種以壓電陶瓷驅(qū)動(dòng),以柔性鉸鏈為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的三自由度微角位移平臺(tái)。使所設(shè)計(jì)的微角位移平臺(tái)在結(jié)構(gòu)緊湊的前提下能夠兼顧輸出角位移的工作行程和分辨力。其次,對(duì)微角位移平臺(tái)的柔性機(jī)構(gòu)進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了一種采用一維角位移子平臺(tái)與二維角位移子平臺(tái)串聯(lián)形式的微角位移平臺(tái),并設(shè)計(jì)了壓電陶瓷預(yù)緊結(jié)構(gòu)�；趬弘娞沾商匦院推脚_(tái)設(shè)計(jì)需求選擇了微角位移平臺(tái)中柔性連接機(jī)構(gòu),并對(duì)其進(jìn)行了剛度分析,得出柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能參數(shù)之間的關(guān)系。再次,對(duì)微角位移平臺(tái)進(jìn)行了理論分析及有限元仿真。通過(guò)分析得到了微角位移平臺(tái)的理論模型,進(jìn)而推導(dǎo)出微角位移平臺(tái)運(yùn)動(dòng)自由度剛度和整體固有頻率的公式并進(jìn)行計(jì)算。并利用ANSYS有限元分析軟件驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果的正確性,最終確定了微角位移平臺(tái)的尺寸參數(shù)。最后,對(duì)微角位移平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析。加工并裝配所設(shè)計(jì)的微角位移平臺(tái),搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并對(duì)微角位移平臺(tái)的角位移行程、角位移分辨力以及動(dòng)態(tài)特性等進(jìn)行測(cè)試,同時(shí)對(duì)理論和仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算和仿真結(jié)果的差異,分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在偏差的原因,以保證微角位移平臺(tái)性能滿足所設(shè)計(jì)的性能要求。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH122
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文角位移平臺(tái)的研究逐漸向多自由度發(fā)展，并成功應(yīng)用到、激光通信等領(lǐng)域中。例如，為滿足空間激光通信的Aoki 等人設(shè)計(jì)了一種由音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二自由度微位移徑的鏡子繞垂直恒定點(diǎn)同時(shí)繞 X 軸和 Y 軸自由旋轉(zhuǎn)。精度高且響應(yīng)速度快，角位移精度可以達(dá)到 0.206″。高熱背景對(duì)敏感遠(yuǎn)紅外探測(cè)器 HERSCHEL 的影響，Ol設(shè)計(jì)了一種用于調(diào)整光路的由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的角位移定其所承載反射鏡口徑大小為 32mm×26mm，可以在 0°精度。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的二自由度微角位移平臺(tái)[32]，如圖 1-2 所示，來(lái)實(shí)現(xiàn)精密直線驅(qū)動(dòng)，主要由直線微位移機(jī)構(gòu)組成。運(yùn)用了粗精結(jié)合、二次定位的方法后使用角度微驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)精定位，此角×2500mm，總質(zhì)量約為 7.6t，角度微驅(qū)動(dòng)

-2 組合機(jī)械式驅(qū)動(dòng)微角定位平臺(tái)的結(jié)鉸鏈成為了微定位研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)行位移傳遞。具有結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)機(jī)以實(shí)現(xiàn)納米量級(jí)的定位精度。因然得到了各研究領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。 Simon G.Alcock 等人于 2015 年由度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)[33]，如圖 1-3 所示鉸鏈部分，一個(gè)角度編碼器和一個(gè)壓電元件在車輪型柔性鉸鏈的內(nèi)分相對(duì)于固定的外部部分旋轉(zhuǎn)，在 1442″行程內(nèi)的角度分辨力為

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