發(fā)布時間：2017-09-25 12:11

  本文關鍵詞：橋式柔順微定位平臺的設計、優(yōu)化與實驗研究

  更多相關文章： 橋式放大機構(gòu) 柔順微定位平臺 靜/動力學建模 多目標優(yōu)化 前饋-反饋混合控制

【摘要】：微納米尺度的精密定位與跟蹤技術是精密加工、半導體制備、信息存儲以及生物醫(yī)學工程等眾多領域的關鍵技術之一。壓電陶瓷驅(qū)動的柔順微定位平臺,以其運動精度高、響應速度快等優(yōu)點,成為目前國內(nèi)外研究和關注的重點。然而由于壓電陶瓷直接輸出位移較小,在相關領域的應用受到一定的限制。本論文分析了柔性鉸鏈的變形機理和幾種微位移放大機構(gòu)的工作機理,設計了一種基于橋式放大機構(gòu)的改進型柔順微定位平臺,對壓電陶瓷驅(qū)動器的輸出位移加以放大來增大微定位平臺的工作行程。針對該微定位平臺,開展了結(jié)構(gòu)設計、理論建模、有限元仿真、參數(shù)優(yōu)化和實驗測試等方面的研究,具體研究工作如下：設計了一種基于橋式放大機構(gòu)的改進型柔順微定位平臺。在分析位移放大機構(gòu)及導向機構(gòu)的基礎上,采用放大能力強、結(jié)構(gòu)緊湊的橋式機構(gòu)對驅(qū)動器的輸出位移進行放大,同時設計四桿對稱式運動導向機構(gòu),以抑制寄生位移的影響,保證微定位平臺的運動行程和定位精度。建立了更為精確的微定位平臺的靜／動力學模型�？紤]負載對橋式機構(gòu)的影響,基于卡式第二定理和應變能理論建立了以柔性鉸鏈為主要特征的橋式機構(gòu)靜力學模型,基于歐拉-伯努利梁理論建立了四桿對稱式運動導向機構(gòu)的靜力學模型。在此基礎上,綜合建立微定位平臺的整體靜力學模型,并應用拉格朗日方程,建立了該平臺的動力學模型。通過與現(xiàn)有文獻中的研究成果對比驗證了本文所提出模型的精確性。采用有限元方法對微定位平臺及其各組成機構(gòu)的理論模型進行了仿真驗證,包括放大機構(gòu)的位移放大比,運動導向機構(gòu)的剛度特性,以及微定位平臺的靜力學和動力學特性,同時對平臺寄生位移的抑制效果進行了評價。提出了一種多目標綜合優(yōu)化方法優(yōu)化設計平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)�；诮⒌撵o力學建模和動力學建模所得到的平臺的性能指標(位移放大比和固有頻率)與柔性鉸鏈尺寸參數(shù)之間的函數(shù)關系。針對各性能指標之間的相互制約關系,采用統(tǒng)一目標函數(shù)法中的線性加權(quán)組合法,建立了柔順微定位平臺的多目標優(yōu)化模型,對平臺的靜動態(tài)特性進行協(xié)調(diào),進一步優(yōu)化選取平臺的尺寸參數(shù)。最后進行了微定位平臺的實驗測試。基于優(yōu)化設計結(jié)果,加工了微定位平臺實驗樣機,并搭建了微定位實驗系統(tǒng),對本文中建立的理論模型和有限元仿真結(jié)果進行了有效驗證。針對壓電陶瓷驅(qū)動器固有的遲滯非線性問題,設計了基于Prandtl-Ishlinskii(PI)逆模型的開環(huán)前饋補償控制器,然而考慮到逆模型補償由于過分依賴模型參數(shù)而在實際應用中往往存在補償誤差,引入基于混合靈敏度優(yōu)化的H∞魯棒控制策略,進一步改善平臺的性能。
【關鍵詞】：橋式放大機構(gòu) 柔順微定位平臺 靜/動力學建模 多目標優(yōu)化 前饋-反饋混合控制
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH703
【目錄】：

• 摘要11-13
• Abstract13-15
• 第1章 緒論15-23
• 1.1 課題來源15
• 1.2 課題研究背景及意義15-16
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-20
• 1.3.1 柔順微定位平臺的設計16-18
• 1.3.2 柔順微定位平臺的建模與優(yōu)化18-19
• 1.3.3 微定位系統(tǒng)的控制19-20
• 1.4 論文研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)20-23
• 第2章 橋式柔順微定位平臺的結(jié)構(gòu)設計23-35
• 2.1 引言23
• 2.2 柔性鉸鏈機構(gòu)23-26
• 2.2.1 柔性鉸鏈簡介23-24
• 2.2.2 柔性鉸鏈的建模24-26
• 2.3 微位移放大機構(gòu)26-30
• 2.3.1 杠桿放大機構(gòu)26-27
• 2.3.2 橋式放大機構(gòu)27-29
• 2.3.3 其他微位移放大機構(gòu)29-30
• 2.4 運動導向機構(gòu)30-31
• 2.5 平臺整體結(jié)構(gòu)的設計31-33
• 2.6 本章小結(jié)33-35
• 第3章 橋式微定位平臺的靜、動力學模型35-53
• 3.1 引言35
• 3.2 微定位平臺的靜力學建模35-48
• 3.2.1 橋式放大機構(gòu)的建模35-41
• 3.2.2 運動導向機構(gòu)的建模41-44
• 3.2.3 微定位平臺的整體靜力學模型44-48
• 3.3 微定位平臺的動力學建模48-52
• 3.3.1 微定位平臺的動力學模型48-50
• 3.3.2 微定位平臺的固有頻率50-52
• 3.4 本章小結(jié)52-53
• 第4章 微定位平臺的有限元仿真53-61
• 4.1 引言53
• 4.2 各組成機構(gòu)的性能分析53-57
• 4.2.1 橋式放大機構(gòu)的有限元仿真53-56
• 4.2.2 運動導向機構(gòu)的有限元仿真56-57
• 4.3 微定位平臺的整體性能57-59
• 4.3.1 平臺的靜力學特性57-58
• 4.3.2 平臺的模態(tài)分析58-59
• 4.3.3 平臺的寄生位移抑制特性59
• 4.4 本章小結(jié)59-61
• 第5章 微定位平臺的參數(shù)優(yōu)化61-71
• 5.1 引言61
• 5.2 微定位平臺的尺寸約束條件61-63
• 5.2.1 微定位平臺的剛度約束61-62
• 5.2.2 微定位平臺的應力約束62-63
• 5.3 微定位平臺的參數(shù)優(yōu)化63-68
• 5.3.1 微定位平臺的單目標參數(shù)優(yōu)化63-66
• 5.3.2 微定位平臺的多目標參數(shù)優(yōu)化66-68
• 5.4 微定位平臺優(yōu)化前后性能對比68-70
• 5.5 本章小結(jié)70-71
• 第6章 微定位平臺的實驗測試與控制算法設計71-87
• 6.1 引言71
• 6.2 實驗系統(tǒng)簡介71-74
• 6.2.1 實驗樣機72
• 6.2.2 實驗儀器72-74
• 6.3 微定位平臺開環(huán)特性74-77
• 6.3.1 位移放大比實驗74-75
• 6.3.2 動力學分析75-77
• 6.4 微定位系統(tǒng)的非線性控制77-83
• 6.4.1 基于模型的前饋補償控制77-80
• 6.4.2 前饋反饋混合控制方案80-83
• 6.5 微定位系統(tǒng)的實驗效果83-84
• 6.6 本章小結(jié)84-87
• 總結(jié)與展望87-89
• 參考文獻89-93
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術成果93-95
• 致謝95-96
• 學位論文評閱及笞辯情況表96

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本文編號：917276