基于柔性铰链的并联机构性能研究与优化设计

摘要

在精密位姿调节装置需求日益迫切的今天，随着并联机构技术和微位移技术的进步，精密位姿调节并联机构成为了精密位姿调节装置的重要研究方向。在浸没式光刻机中，需要一种微米级的三自由度精密位姿调节装置对浸没单元位姿进行调节，本文研究的基于柔性铰链的并联机构就是这样一种精密调节装置。本文研究内容包括4方面:
　　1)对3-PSR-V并联机构进行了运动学建模，给出了其运动学正逆解的详细推导过程。特别地，提出了已知z、γ、β的运动学逆解求解方法，为一些特殊测量方式的控制提供了逆解方法，并仿真验证了各运动学模型的正确性。
　　2)基于伪刚体模型，建立起直圆型柔性铰链的刚度和精度模型;提出了柔性铰链的评价标准并建立相应的数学模型;提出了转动副并联柔性铰链结构，并建立了相应刚度模型，显著提高了柔性铰链纵向刚度和扭转刚度;仿真分析验证了柔性铰链刚度模型的正确性。
　　3)面向应用，对直圆型柔性铰链、并联柔性铰链及并联机构的其他运动副进行了优化设计，并对基于柔性铰链的并联机构的各尺寸进行了优化配置;对动平台和基于柔性铰链的并联机构的测试表明并联机构具有优秀的刚度性能和动态性能。
　　4)对基于柔性铰链的并联机构进行后处理。在误差分析的基础上，利用矢量法建立起基于柔性铰链的并联机构的误差模型;设计参数识别策略成功的将多目标优化问题转变成单目标优化问题;提出带变异的粒子群算法，并结合参数识别策略和误差模型对基于柔性铰链的并联机构进行参数识别;精度性能测试显示基于柔性铰链的并联机构开环重复定位精度（z，α，β）分别达到了(-0.5～1.0um，±0.01rad，±0.03mrad)，证明基于柔性铰链的并联机构是一种微米级的精密位姿调节并联机构，满足浸没式光刻中浸没单元的位姿调节要求。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 本文的研究背景及意义

1．2 并联机构的研究现状及应用

1．3 柔性并联机构的研究现状及应用

1．4 本文的研究内容

2 3-PSR-V并联机构的运动学分析

2．1 引言

2．2 3-PSR-V并联机构运动学坐标系建立及参数定义

2．2．1 3-PSR-V并联机构介绍

2．2．2 坐标系建立及参数定义

2．3 3-PSR-V并联机构运动学正解

2．4 3-PSR-V并联机构运动学逆解

2．4．1 已知z、α、β的运动学逆解

2．4．2 已知z、γ、β的运动学逆解

2．5 机构运动学模型正确性验证

2．6 本章小结

3 柔性铰链的模型建立与性能研究

3．1 引言

3．2 直圆型柔性铰链的刚度模型与精度研究

3．2．1 直圆型柔性铰链刚度模型

3．2．2 直圆型柔性铰链的评价标准

3．2．3 直圆型柔性铰链的精度研究

3．3 并联柔性铰链的刚度模型与性能研究

3．3．1 并联柔性铰链

3．3．2 并联柔性铰链的性能研究

3．4 柔性铰链剐度性能的仿真验证

3．4．1 柔性铰链尺寸变化对刚度影响的仿真分析

3．4．2 并联柔性铰链刚度性能仿真分析

3．5 本章小结

4 基于柔性铰链并联机构的优化设计与刚度性能研究

4．1 引言

4．2 运动副的优化设计

4．2．1 直圆型柔性铰链结构尺寸优化设计

4．2．2 并联柔性铰链的优化设计

4．2．3 基于柔性铰链的并联机构其他运动副的优化设计

4．3 运动副之间各尺寸的优化配置

4．3．1 尺寸配置过程

4．3．2 优化后的并联机构部分性能

4．4 基于柔性铰链并联机构的静刚度性能测试

4．4．1 并联机构动平台静刚度性能对比

4．4．2 基于柔性铰链的并联机构的静态刚度测试与分析

4．5 基于柔性铰链的并联机构部分动态性能的测试与分析

4．5．1 测试环境和测试系统

4．5．2 基于柔性铰链的并联机构固有频率的测试与分析

4．5．3 基于柔性铰链的并联机构的动态刚度测试与分析

4．6 本章小结

5 基于柔性铰链的并联机构误差分析与参数识别

5．1 引言

5．2 3-PSR-V并联机构的误差分析

5．3 3-PSR-V并联机构误差模型建立

5．4 基于柔性铰链的并联机构参数识别

5．4．1 常用的参数识别方法

5．4．2 基于粒子群算法的参数识别

5．5 基于柔性铰链的并联机构的参数识别效果及精度性能测试

5．6 本章小结

6 结论与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录

作者简历