基于粘滑原理的摩擦力驱动机理研究与建模

摘要

大行程微操作手目前尚处在样机研究阶段，研究成果不多见，驱动力较小、精度及稳定性不佳，是其尚未达到实际应用的主要原因，而导致这些问题的主要原因在于对驱动机理模型本身的科学规律尚未深入发掘。解决目前存在的问题的关键在于深入研究驱动机理，建立其合理的数学模型，找出影响其运动情况与特征的因素，为系统稳定性及其控制方法的实现奠定基础。
　　论文将对球基微操器的摩擦力驱动原理做深入分析，将其简化为二元摩擦振子模型，通过对二元摩擦振子性质的讨论，对应用摩擦力驱动原理的球基微操作器的运动状态，动力学特征，优化设计，频响问题以及控制方式进行深入分析。
　　首先在球基微操作器运动特性实验的基础上，分析摩擦力粘滑(stick-slip)驱动原理的驱动特性；对球基微操作器的驱动机理进行分析；最终通过数值仿真模拟球基操作器的运动。在实现仿真的基础上，利用非线性振动力学，将摩擦力驱动原理的驱动过程划分为基本振动与状态切换非稳定振动阶段，论证了微操作球出现的典型运动现象产生原因。提出微操作器的粘滑运动由受迫振动和自激震荡合成的思想。
　　然后根据二元摩擦振子动力学方程，建立运动状态方程；并转化为相对速度状态量，通过对相对速度状态量的讨论建立判别粘滞与滑动状态转换过程及划分标准，状态空间的建立为球基微操作器的优化设计，控制理论以及稳定性讨论奠定理论铺垫。
　　利用谐波平衡法，傅利业变换以及最优化理论对一元及二元摩擦振子的频率响应进行理论求解讨论。对二元摩擦振子进行数值建模，验证了理论解，并讨论二元摩擦振子基于MATLAB的数值优化解的方法。
　　最后结合振动分析，粘滑区域划分和运动频响讨论系统稳定条件。并通过对Coulomb摩擦模型的稳定性讨论，得出正压力补偿控制法，即以稳定摩擦力驱动摩擦振子实现微操作手运动的可控性及稳定性的方法分析。通过数值方法验证正压力补偿控制法的适用性，为微操作器的运动控制提出可行方法。

目录

基于粘滑原理的摩擦力驱动机理研究与建模

RESEARCH AND MODEL OF FRICTIONDRIVE THEORY BASED ON STICK-SLIPEFFECT

摘要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外微操作器及驱动机理研究现状

1.2.1 国外微操作器研究概述

1.2.2 微操作器驱动方式存在的问题

1.2.3 国外微操作器驱动机理研究概述

1.2.4 国内微操作器驱动机理研究概述

1.3 课题来源、主要研究内容

1.3.1 课题来源

1.3.2 本文主要研究内容

第2章 球基微操作器的摩擦力驱动特性分析

2.1 引言

2.2 球基微操作器

2.3 球基微操作器的工作原理

2.4 球基微操作器运动测试

2.5 动力学建模

2.5.1 球基微操作器的简化工程模型

2.5.2 摩擦模型的选取

2.5.3 仿真分析

2.5.4 仿真结果分析

2.6 运动的振动现象与解释

2.6.1 受迫振动现象分析与解释

2.6.2 自激振动现象分析与解释

2.6.3 微操作球运动振动合成

2.7 二元摩擦振子的引出

2.8 本章小结

第3章 二元摩擦振子的运动状态空间分析

3.1 引言

3.2 动力学模型的简化

3.2.1 摩擦模型的选用

3.2.2 动力学方程

3.3 状态空间区域数值解析

3.4 状态空间区域解析划分方法讨论

3.4.1 状态空间表达方式研究

3.4.2 动态正压力的讨论

3.4.3 状态空间区域划分分析

3.5 粘滞与滑动状态切换问题的研究

3.5.1 整体运动的粘滑状态切换问题分析

3.5.2 粘滞在时间轴时粘滑状态切换的讨论

3.6 本章小结

第4章 二元摩擦振子的系统频率响应分析

4.1 引言

4.2 二元摩擦振子的频响理论解研究

4.2.1 摩擦模型的选用

4.2.2 动力学模型简化

4.2.3 谐波响应解法讨论

4.2.4 最优化算法

4.3 二元摩擦振子频响数值解研究

4.3.1 特定频率相位图分析

4.3.2 系统频响的一般形式数值求解

4.4 频谱分析算例

4.5 本章小结

第5章 二元摩擦振子运动控制策略讨论

5.1 前言

5.2 二元摩擦振子稳定性分析

5.2.1 模型稳定性问题的振动角度的讨论

5.2.2 稳态周期响应能量平衡条件分析

5.2.3 二元摩擦振子渐进稳定性分析

5.3 二元摩擦振子运动控制策略讨论

5.3.1 正压力补偿法

5.3.2 基于能量补偿的振动衰减法

5.3.3 基于能量补偿的振动衰减数值仿真

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢