【摘要】：微定位平臺廣泛應(yīng)用于微機電系統(tǒng)、超精密加工、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等高尖端領(lǐng)域,設(shè)計具有工作空間大、定位精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快的微定位平臺具有重要的意義。針對微定位平臺產(chǎn)生的寄生運動,本文設(shè)計了一種基于壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動的一維精密微定位平臺,采用二級柔順杠桿放大機構(gòu)進行位移放大,以直梁型柔性鉸鏈作為導(dǎo)向機構(gòu)。根據(jù)虛功原理對微定位平臺進行理論分析,推導(dǎo)了微定位平臺的放大倍數(shù)及剛度的計算公式;利用ANSYS Workbench對微定位平臺進行了有限元分析,仿真了微定位平臺的放大倍數(shù)、剛度、最大應(yīng)力及模態(tài),并搭建了實驗測試系統(tǒng)對微定位平臺的放大倍數(shù)進行了測試,實驗及仿真結(jié)果表明:微定位平臺的最大行程可以達到68.632μm,放大倍數(shù)可以達到2.02,直線度?在1.19%-1.32%內(nèi),表明直線度較好、響應(yīng)速度快、定位精度高。由于一維平臺由于工作空間小,應(yīng)用范圍受限。為了提高微定位工作空間,本文基于柔性杠桿放大原理,設(shè)計了一種新型的二維微定位平臺。平臺由3個旋轉(zhuǎn)支鏈,1個直線支鏈及4個壓電疊堆組成,可實現(xiàn)直線運動及旋轉(zhuǎn)運動。為提高微定位平臺的綜合性能,提出一種基于響應(yīng)面模型的性能綜合優(yōu)化設(shè)計方法。結(jié)合ANSYS仿真軟件,分析微定位平臺的結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能指標(biāo)的相關(guān)性強弱,然后挑選出參數(shù)作為設(shè)計變量,建立微定位平臺的二階響應(yīng)面模型。基于響應(yīng)面模型進行遺傳多目標(biāo)優(yōu)化,同時采用ANSYS對優(yōu)化后的微定位平臺進行性能仿真。仿真結(jié)果顯示,優(yōu)化后的二維微定位平臺直線放大倍數(shù)提高了11.91%,旋轉(zhuǎn)放大倍數(shù)提高了7.09%,固有頻率提高了20.22%,最大應(yīng)力減少了10.59%,并搭建了實驗測試系統(tǒng)對二維微定位平臺的放大倍數(shù)進行了測試,經(jīng)實驗及優(yōu)化結(jié)果表明:優(yōu)化值與實驗值很接近,誤差較小。說明該優(yōu)化方法是可行的。為減少二維微定位平臺產(chǎn)生的遲滯非線性誤差影響,提高微定位平臺的定位精度,本文提出一種改進式PID算法對微定位平臺進行反饋控制。建立了微定位平臺的動力學(xué)模型,采用改進式PID控制算法對動力學(xué)模型求解,最后,利用siumlink仿真并搭建實驗測試系統(tǒng)進行了驗證。經(jīng)實驗及仿真結(jié)果表明:微定位平臺對5μm階躍響應(yīng)位移的響應(yīng)時間為0.28s,且沒有出現(xiàn)超調(diào),定位誤差在0.56-0.65μm范圍內(nèi)波動;通過改進式算法的PID算法可以有效的減少微定位平臺的定位誤差,具有較快的響應(yīng)。系統(tǒng)整體性能得到明顯提升。
【學(xué)位授予單位】：江西理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TH703.8
【圖文】：

根據(jù)柔性鉸鏈具有大變形的特點，可以用來傳遞機構(gòu)間的力和運動，但對非線性理論建模仍具有很大的問題，所以，美國 Howell 和 Midha 教授提出了一種偽剛分析法，簡化了柔性機構(gòu)的力學(xué)分析的難點，使柔性鉸鏈機構(gòu)的理論分析提供具說服力。圖 1.2 所示的是將偽剛體模型的理論通過自由端受力的懸臂梁去等效簡根剛性桿件和一個扭轉(zhuǎn)彈簧連接，并利用傳統(tǒng)的剛性理論對懸臂梁末端軌跡系統(tǒng)，從而在某種程度上對其過程進行簡化分析。性桿件末端受載荷情況有很多種情況，為擴大偽剛體模型的適用更大范圍，美國ll 和 Midha 為了完善偽剛體模型的性能，分析了柔性桿件末端所受載荷的不同，了偽剛體模型三種不同的受載荷情形：(1) 柔性桿件末端受到同向的力和彎矩載荷；(2) 柔性桿件末端受到反向的力和彎矩載荷且無拐點載荷；(3) 柔性桿件末端受到反向的拐點力和拐點彎矩載荷。最后簡化了柔順機構(gòu)的運型。對于在初始位置就產(chǎn)生彎曲大形變的柔順桿件，便可將其等效成具有三根剛的扭轉(zhuǎn)彈簧連接，并建立它的偽剛體模型。Edwards 等也根據(jù)該模型用實驗的方了它的正確性和有效性。

圖 2.1 微定位平臺理論分析剛度分析導(dǎo)軌和滾珠絲杠結(jié)構(gòu)復(fù)雜之間都存在機械摩擦，故不適，柔性較鏈機構(gòu)的主要優(yōu)點包括：結(jié)構(gòu)緊湊、分辨率高敏度高、易于加工等，并廣泛應(yīng)用于微定位平臺的設(shè)計其中比較常見幾種類型包括直圓型、直梁型、橢圓形、以及其他非對稱式較鏈。本章重點對直圓型柔性鉸鏈的多數(shù)的關(guān)于柔性鉸鏈剛度理論的研究停滯在對單軸柔性鉸鏈理論分析建模的主要研究方法有：彈性梁理論、卡有限元分析方法等，在工程實踐中經(jīng)常采用數(shù)值積分法

圖 2.2 直圓型柔性較鏈幾何結(jié)構(gòu)于柔性鉸鏈的中間部分尺寸較小，結(jié)構(gòu)較為脆弱，容易在受力矩的作用下變形。為了方便對柔性鉸鏈分析，選取在圓心角 處取微元對其進行受力微元體示意圖見圖 2.3 所示。

【參考文獻】

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本文編號：2769075