發(fā)布時間：2020-07-31 14:00

【摘要】：在光波導(dǎo)器件連接和封裝過程中,需要解決的關(guān)鍵問題是如何提高精度,實現(xiàn)連接封裝過程的自動化,這對大行程、多自由度精密定位工作臺提出了需求。已有裝備采用電磁電機經(jīng)絲杠驅(qū)動六自由度工作臺運動,實現(xiàn)陣列光纖與光波導(dǎo)器件的對準。由于傳動鏈較長,致使系統(tǒng)剛度低,響應(yīng)慢,系統(tǒng)精度難以進一步提升,只能依靠其它驅(qū)動方式進行更高精度的補償,這使系統(tǒng)對作動器的控制難度增加。另外,工作臺自身的導(dǎo)向精度也是限制對準精度進一步提高的關(guān)鍵因素。本文提出了具備多種工作模式、大行程、快響應(yīng)和高精度特點的壓電電機,作為串并混聯(lián)六自由度精度定位平臺的作動器,進而構(gòu)建基于壓電作動器直接驅(qū)動的六自由度高精密定位平臺,其具體設(shè)計目標是具備連續(xù)大行程工作范圍和高精度定位能力,平動定位精度為1μm,轉(zhuǎn)動定位精度為0.0005°。首先,設(shè)計了柔性正交式、柔性杠桿式和柔性菱形式三種不同結(jié)構(gòu)的非共振式壓電作動機構(gòu),提出了連續(xù)驅(qū)動和步進驅(qū)動兩種作動模式,分別滿足較遠距離高速運動和臨近目標精確定位要求。另一方面,面向柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)參數(shù)展開了參數(shù)化設(shè)計研究,提出了新的結(jié)構(gòu)參數(shù)ε和柔度參數(shù)λ,詳細探討了參數(shù)ε對柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)柔度的影響機制,以及參數(shù)λ-ε的之間的影響關(guān)系。在此基礎(chǔ)上面向三種不同結(jié)構(gòu)的壓電作動機構(gòu)展開了不同的優(yōu)化設(shè)計方法研究,并采用多種方法驗證了其優(yōu)化設(shè)計的有效性,最后對三種壓電作動機構(gòu)進行了實驗研究。實驗結(jié)果證明,優(yōu)化后的三種柔性壓電直線作動機構(gòu)有效的提升了步進作動的分辨率,具有高精度的運動分辨率和穩(wěn)定的宏觀連續(xù)運動能力,能夠直接應(yīng)用到多自由度精密定位平臺中。其次,在對比了串聯(lián)機構(gòu)和并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)缺點之后,采用2T1R串聯(lián)平臺+2R1T并聯(lián)平臺的構(gòu)型,設(shè)計了串聯(lián)與并聯(lián)混合構(gòu)型的六自由度精密定位平臺;其中3-DOF并聯(lián)平臺采用3條斜面牽引并聯(lián)支路對稱布置結(jié)構(gòu)方案,設(shè)計了大行程圓柱柔性鉸鏈,提出了基于模糊優(yōu)化算法的圓柱柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法,構(gòu)建了基于大行程圓柱柔性鉸鏈的3-DOF并聯(lián)平臺剛度模型,分析了大行程圓柱柔性鉸鏈在3-DOF并聯(lián)平臺中的有效性和可靠性。另一方面,構(gòu)建了6-DOF混聯(lián)精密定位平臺的完整運動學(xué)與動力學(xué)模型,借助于齊次坐標變換方法給出了6-DOF混聯(lián)精密定位平臺的運動學(xué)位姿正反解;利用拉格朗日動力學(xué)模型給出了動力學(xué)廣義驅(qū)動力的求解模型;最后采用多剛體動力學(xué)仿真軟件ADAMS對所構(gòu)建的6-DOF混聯(lián)精密定位平臺開展了仿真研究,仿真結(jié)果表明所設(shè)計的6-DOF混聯(lián)精密定位平臺具有較好的運動學(xué)能力,在給定外力(力矩)條件下可以實現(xiàn)大行程工作空間范圍內(nèi)的宏觀運動與定位,滿足6個自由度的運動設(shè)計要求。最后,搭建了面向6-DOF混聯(lián)精密定位平臺的實驗系統(tǒng),設(shè)計了實驗測量方法,開展了步進作動模式實驗研究和連續(xù)作動模式實驗研究。實驗結(jié)果表明,在步進作動實驗中,X軸平動的步進分辨率為1.2μm,Y軸平動的步進分辨率為1.4μm,Z軸平動的步進分辨率為1.0μm;X軸轉(zhuǎn)動的步進分辨率為8.6μrad,Y_U軸和Y_V軸轉(zhuǎn)動的步進分辨率分別為11μrad和10μrad,Z軸轉(zhuǎn)動的步進分辨率為3μrad;在連續(xù)作動實驗中,X軸平動的宏觀運動速度為1.82mm/s,Y軸平動的宏觀運動速度為1.89mm/s,Z軸平動的宏觀運動速度為312μm/s;X軸轉(zhuǎn)動的宏觀運動角速度為29000μrad/s,Y_U軸和Y_V軸轉(zhuǎn)動的宏觀運動角速度分別為29400μrad/s和28000μrad/s,Z軸轉(zhuǎn)動的宏觀運動角速度為26400μrad/s。各軸的平動定位分辨率和轉(zhuǎn)動定位分辨率已基本達到預(yù)期設(shè)計目標;各軸的平動和轉(zhuǎn)動的工作行程區(qū)間均已實現(xiàn)預(yù)期設(shè)計目標。另一方面,對6-DOF混聯(lián)精密定位平臺進行了運動誤差影響因素分析,給出了各軸的運動誤差棒分析圖,對于進一步提高所設(shè)計的6-DOF混聯(lián)精密定位平臺的定位精度和運動性能具有指導(dǎo)意義。本研究課題所設(shè)計的6-DOF混聯(lián)精密定位平臺,采用非共振式壓電直線電機直接作為各軸運動的作動機構(gòu),顯著縮短了傳動鏈,簡化了系統(tǒng)控制方式,也有利于提高定位平臺的作動響應(yīng)速度;利用非共振式壓電直線電機的步進作動模式和連續(xù)作動模式,即可實現(xiàn)6-DOF混聯(lián)精密定位平臺高精度微動與大行程宏動,具有廣闊的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN25;TH703
【圖文】：

基于壓電驅(qū)動的六自由度混聯(lián)精密定位平臺關(guān)鍵技術(shù)研究制難度較高。此外，采用共振式壓電電機的作動系統(tǒng)在接近目標位置時通常采用脈沖激現(xiàn)高分辨率的步進運動，因此，作動精度取決于最小步距。這類壓電電機在國外已經(jīng)產(chǎn)品產(chǎn)品有 PI 公司的 P-661 型直線電機（如圖 1.1），其開環(huán)步距為 50nm，最大速度mm/s[50]，同類產(chǎn)品還有 Elliptec 公司產(chǎn)品（如圖 1.2）、nanomotion 公司的系列產(chǎn)品（如圖韓國 piezoelectric technology 公司的系列產(chǎn)品（如圖 1.4）[55]。

基于壓電驅(qū)動的六自由度混聯(lián)精密定位平臺關(guān)鍵技術(shù)研究制難度較高。此外，采用共振式壓電電機的作動系統(tǒng)在接近目標位置時通常采用脈沖激現(xiàn)高分辨率的步進運動，因此，作動精度取決于最小步距。這類壓電電機在國外已經(jīng)產(chǎn)品產(chǎn)品有 PI 公司的 P-661 型直線電機（如圖 1.1），其開環(huán)步距為 50nm，最大速度mm/s[50]，同類產(chǎn)品還有 Elliptec 公司產(chǎn)品（如圖 1.2）、nanomotion 公司的系列產(chǎn)品（如圖韓國 piezoelectric technology 公司的系列產(chǎn)品（如圖 1.4）[55]。

基于壓電驅(qū)動的六自由度混聯(lián)精密定位平臺關(guān)鍵技術(shù)研究制難度較高。此外，采用共振式壓電電機的作動系統(tǒng)在接近目標位置時通常采現(xiàn)高分辨率的步進運動，因此，作動精度取決于最小步距。這類壓電電機在國外型產(chǎn)品有 PI 公司的 P-661 型直線電機（如圖 1.1），其開環(huán)步距為 50nm，mm/s[50]，同類產(chǎn)品還有 Elliptec 公司產(chǎn)品（如圖 1.2）、nanomotion 公司的系列產(chǎn)和韓國 piezoelectric technology 公司的系列產(chǎn)品（如圖 1.4）[55]。圖 1.1 PI 公司的 P-661 型壓電電機 圖 1.2 Elliptec 公司壓電電機

【參考文獻】

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本文編號：2776562