具有零刚度特性的常力微动平台设计、建模与性能分析

摘要

常力机构广泛应用于振动保护、隔振缓冲、静力平衡和重力补偿等领域，为了满足精密工程领域对常力的需求，使其更好的应用于微操作、微定位等精密工程领域，避免过大的接触力对一些微小零件尤其是易损物体造成损伤和破坏，基于柔顺机构设计具有零刚度特性的常力微动平台具有重要的理论和实际意义。本文采用正负刚度组合原理设计了三种一维常力平台和一种二维常力平台，并对一维常力平台进行了性能优化和结构改善，主要内容如下： 针对传统常力机构存在的运动副间隙、装配误差和摩擦磨损等问题，采用正负刚度组合原理设计了一种基于柔顺机构的常力微动平台。平台是利用直梁正刚度和双稳态梁屈曲行为产生负刚度实现其零刚度特性。平台由对称的直梁、双稳态梁和刚性连接块组成，直梁和双稳态梁通过连接块并联连接。采用伪刚体法和椭圆积分法相结合的建模方法，建立反映常力平台力学性能的理论模型。通过与有限元分析结果进行比较，分析结果表示所建立的模型能准确反映常力微动平台的力学性能。基于所建立的力学模型，提出一种提高平台常力运动范围和承载能力的优化设计方法。制作样机对该平台力学性能进行实验测试，实验结果表明，平台能在输出位移范围为[0.6-1.7] mm内保持约48 N常力，说明常力平台所建模型的准确性和优化方法的有效性。 为了解决零刚度常力微动平台的正负刚度匹配问题，提出一种利用具有线性力学关系的正负刚度结构形成零刚度常力平台的设计思路。为了形成零刚度结构，分别设计了Z字型和梯形两种力-位移关系为线性的正刚度结构。将所设计的两种正刚度结构与具有线性负刚度力学特性的双稳态梁结构进行组合，设计了两种新型的常力微动平台。采用伪刚体方法建立了正刚度结构的力学模型，基于该模型采用线性的正负刚度匹配原理确定平台的结构参数。制作样机并与具有非线性力学关系的正刚度结构平台进行比较分析，理论和实验结果表明所设计的平台的常力范围可达2.4 mm，比非线性结构组成的平台增大了1.3 mm，说明了常力平台设计的可行性。所提出的方法为常力微动平台设计提供了一种更为简易的设计思路。 为了解决常力平台在运动过程中的单一常力行程问题，使其适用于需要不同常力范围的场合，设计了三种具有两个常力范围的常力微动平台。用同一线性正刚度结构分别与两个不同的负刚度结构进行组合得到了具有两个常力范围的常力不可调平台；用两个正刚度结构与两个负刚度结构组合设计了可调常力大小的两行程常力可调平台；用一个线性正刚度结构与具有两个负刚度区域的两级负刚度结构并联组合得到了具有两个常力范围的连续两行程常力平台。提出了一种基于多级负刚度结构的多行程常力平台的设计思路。对所设计的平台进行了有限元分析，分析结果说明了所设计的两行程常力平台的有效性。制作了平台样机对该平台力学性能进行实验测试，实验结果表明平台分别在[1.3-4.8] mm和[6.7-9.5] mm范围内具有常力性能，验证了所提出的两行程常力平台设计方法的可行性，为多行程常力机构的设计提供一种思路。 针对一维常力微动平台运动维度受限，难以应用于多维运动场合的问题，设计了一种并联式二维常力微动平台。平台由对称的正刚度结构、负刚度结构、导向结构和解耦结构组成，在单一方向上由一个双稳态梁负刚度结构和三个复合梁正刚度结构并联形成零刚度以实现常力行为。有限元分析和理论结果表明该平台能实现两个方向的常力运动，且具有良好的解耦性能。制作了平台样机并对该平台力学性能进行实验测试，实验结果表明该二维常力微动平台在[1.6-4.0] mm范围内具有常力性能，说明了所设计的二维常力平台的有效性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第二章 具有常力特性的微动平台设计与优化

2.1 引言

2.2 常力微动平台结构设计

2.3 常力平台理论建模

2.4 理论模型验证

2.5 灵敏度分析

2.6 常力微动平台优化设计

2.6 实验验证

2.7 结论

第三章 基于正负刚度匹配的常力微动平台设计与分析

3.1 引言

3.2 设计原理

3.3 线性正刚度结构设计

3.4 常力微动平台设计

3.5 三种常力平台比较分析

3.6 实验验证

3.7 结论

第四章 具有多常力范围的平台设计与分析

4.1 引言

4.2 设计原理

4.3 正刚度结构设计与建模

4.4 常力不可调平台设计

4.5 常力可调平台设计

4.6 连续多行程常力平台

4.7 实验测试

4.8 结论

第五章 二维常力微动平台的设计

5.1 引言

5.2 二维常力平台结构设计

5.3 二维常力平台刚度模型

5.4 二维常力平台性能分析

5.5 实验验证

5.6 结论

第六章 结论与展望

6.1 主要工作及结论

6.2 创新点

6.3 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果