基于柔顺机构的微位移精密定位平台理论与试验研究

摘要

近年来,在电子、光学、机械制造等众多技术领域中,迫切需要高精度、高分辨率、高可靠性的微位移系统。实现亚微米甚至纳米级的精密定位,传统的驱动和传动方式已不再适用,必须寻求特殊的驱动和传动方式,使微位移平台具有亚微米/纳米级的定位精度。 本文以柔顺机构作为微位移平台的传动装置,对微位移平台作了以下研究： (1)提出了平面三自由度微位移平台的优化设计方法。首先,通过假设正圆型柔性铰链为一种变截面的框架单元,推导出正圆型柔性铰链的单元刚度矩阵,建立了平面三自由度微位移平台的有限元模型；其次,以平台的最大输出位移为最优设计目标,综合考虑影响平台性能的固有频率、最大应力、最大驱动力等约束条件,得到平面三自由度微位移平台的最优化结构；最后,通过仿真和试验研究进一步验证了理论分析的准确性。 (2)采用了模糊自整定PID控制算法对压电陶瓷驱动器进行了闭环控制,试验结果表明,控制系统具有良好的动态和静态性能,驱动器的定位精度达到10nm。同时,考虑到输入耦合对微位移平台的定位精度产生一定程度的影响,提出了低输入耦合平台的设计方法,通过对平台的结构参数进行优化设计,可以降低和消除输入耦合对平台定位精度的影响。最后,提出一种试验修正方法,该方法通过测试结果进一步修正平台输入与输出之间的传递函数矩阵,有效地提高平台的定位精度。 (3)根据柔顺薄板的变形原理,提出一种应用于空间微位移平台的柔性铰链,并在此基础上设计了一种新型空间三自由度微位移平台。首先,提出了该平台的理论建模方法和输入耦合求解方法；其次,分析了平台的函数传递关系,推导出平台的位置正解和位置逆解；最后,试验结果表明,平台在三个运动自由度方向都具有较高的刚度,定位精度达到纳米级。 (4)研究了低成本微位移平台的设计方法,采用以宏观的输入获得微观的输出、以低精度的输入获得高精度的输出这一设计思路,提出一种新型的多层柔性板组成的平板弹簧机构,该机构能在驱动器的位移分辨率和定位精度较低时,大幅度缩小输出位移与输入位移的比值,从而提高输出位移的分辨率和定位精度,基于这种设计思想,研制出一种低成本、高精度的微位移平台。试验结果表明,平台具有50nm的定位精度,具有良好的实用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2微位移平台国内外研究现状

1.2.1微位移平台的系统组成

1.2.2基于压电陶瓷驱动的微位移平台

1.2.3压电陶瓷驱动器的控制方法

1.3微位移平台的主要应用领域

1.4本课题的研究意义及论文的主要内容

1.4.1本课题的研究意义

1.4.2论文的主要内容

第二章平面三自由度微位移平台的优化设计

2.1引言

2.2柔顺机构的建模方法

2.2.1伪刚体模型法

2.2.2有限元法

2.3直角正圆型柔性铰链的刚度方程

2.4平面三自由度微位移平台的结构优化设计

2.4.1几何模型

2.4.2理论分析

2.4.3优化设计

2.4.4优化结果

2.5平台的仿真分析

2.6本章小结

第三章平面三自由度微位移平台动力学和静力学研究

3.1引言

3.2平台的动力学研究

3.2.1动力学方程的建立

3.2.2理论模型试验验证

3.2.3输入调理策略与讨论

3.3压电陶瓷驱动器控制方法

3.4静力学试验测试

3.5试验修正方法

3.6本章小结

第四章输入耦合研究

4.1引言

4.2三自由度微位移平台的输入耦合问题

4.2.1输入耦合分析

4.2.2结构参数对输入耦合的影响

4.3考虑输入耦合的平台优化设计方法

4.4低输入耦合平台的优化设计

4.4.1优化设计

4.4.2仿真研究

4.4.3试验研究

4.4本章小结

第五章空间三自由度微位移平台的研究

5.1引言

5.2空间三自由度微位移平台的优化设计

5.2.1平台的几何模型

5.2.2空间柔性铰链的刚度模型

5.2.3平台的优化设计

5.2.4微动平台的位置分析

5.3试验研究

5.4本章小结

第六章低成本微位移平台的设计

6.1引言

6.2低成本平动微位移平台设计

6.2.1设计方法

6.2.2平板弹簧

6.2.3平台主体结构

6.2.4平台的有限元分析模型

6.2.5误差分析传递

6.2.6试验研究

6.3低成本旋转微位移平台设计

6.4本章小结

结论

1.主要工作和结论

2.创新点

3.展望与设想

参考文献

附录

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢