基于柔性铰链的微动平台设计与运动仿真

摘要

随着运动执行机构不断向高速、大行程、纳米级精度的方向发展，精密运动平台的研究已倍受研究人员的关注。本论文面向微电子装备的高速、大行程、高精度运动的需求，开展宏微复合运动平台的关键技术研究，通过基于柔性铰链设计理论的微平台设计与有限元分析、运动平台的动力学建模和宏微平台的运动切换方法等研究，来实现平台的精密定位。本文的主要研究内容如下:
　　1、深入调研精密运动平台技术的国内外研究现状和发展趋势，了解精密运动平台的结构组成和驱动技术，分析目前该领域尚存在的难点问题。
　　2、开展基于柔性铰链的微动平台设计，在柔性铰链分析与柔度计算的基础上，选择柔性铰链类型，确定柔性铰链作用于微动平台的形变量，分析柔性铰链移动副的伴生运动对微平台的精度影响，设计出基于对称式柔性铰链移动副结构的微动平台。同时开展微动平台的有限元建模分析，通过静力学分析和平台的模态分析，了解平台的静态特性和动态响应。
　　3、针对宏微复合运动的龙门式宏平台，研究平台的机械电气控制系统，并根据PMAC运动控制卡的动态连接库，开发上位机控制模块;同时开展运动系统的定位精度测试与实验，对宏运动的振动性能进行分析。
　　4、针对高速运动过程宏微运动的切换问题，提出一种双层动态切换的方法，即在首先进行位置检测方式的切换后，再进行运动的切换。在分析确定位置检测方式切换的速度阈值条件下，根据两级平台动力学模型的动态响应推导出宏微运动切换时的振动幅值条件。该思路通过宏动平台的振动分析与模态辨识、及建立宏微运动振动幅值切换的切换时间点的数学模型，仿真得以初步验证。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 精密运动平台的国内外研究现状

1．2．1 传统精密定位平台

1．2．2 超高精度定位平台

1．3 论文研究内容及课题来源

第二章 基于柔性铰链的微动平台设计

2．1 引言

2．2 柔性铰链的概述

2．3 柔性铰链的选型分析与计算

2．3．1 柔性铰链转动副转角刚度计算理论

2．3．2 柔性铰链移动副伴生运动分析

2．3．3 柔性铰链移动副选型计算

2．4 微动平台的设计

2．4．1 宏微复合运动平台的动作设计

2．4．2 部件材料选型

2．4．3 结构设计

2．5 本章小结

第三章 微动平台的动静态特性分析

3．1 引言

3．2 微动平台有限元建模分析

3．2．1 ANSYS有限元建模

3．2．2 静态特性分析

3．2．3 模态分析

3．3 微动平台动力学建模分析

3．3．1 微动平台的数学模型

3．3．2 动态特性分析

3．4 本章小结

第四章 面向宏微复合运动的宏动平台性能分析

4．1 引言

4．2 龙门式精密宏平台的系统组成和控制模块

4．2．1 宏平台系统组成

4．2．2 运动控制系统的实现

4．3 龙门式精密平台系统运动精度的测定

4．3．1 激光干涉仪的测量原理

4．3．2 基于激光干涉仪的宏平台精度测量

4．3．3 宏平台的运动精度分析

4．4 宏平台运动系统的振动分析

4．4．1 振动测试系统

4．4．2 实验方案

4．4．3 结果分析

4．5 本章小结

第五章 宏微运动切换控制过程的仿真分析

5．1 引言

5．2 宏微运动的双层动态切换模式

5．2．1 位置检测模式的速度切换条件

5．2．2 宏微运动切换的位置切换条件

5．3 宏微运动的动态切换思路

5．3．1 数学模型建立

5．3．2 宏平台动力学参数辨识

5．3．3 宏微运动切换过程的仿真分析

5．4 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

声明

致谢