二维微动平台柔性机构动力学建模与分析

提出一种基于并联柔性机构的两自由度平动解耦并联微动平台.平台采用复合双平行四杆柔性机构模块，采用结构对称约束消除轴间耦合和寄生位移的产生，实现X,Y方向的平动.采用刚度矩阵法对该并联柔性机构进行理论分析，根据观察法建立微动工作台的整体刚度矩阵，得到系统的运动微分方程，推导出系统各阶固有频率.采用有限元分析法对微动工作台进行模态分析，得到微动工作台的固有频率和振型.经过理论分析、有限元计算和试验测试，并对结果进行对比，结果的一致性说明理论分析的正确性和刚度矩阵分析的有效性.     

磁力耦合动密封驱动结构参数优化设计与试验分析

为实现压力容器的零泄漏动密封传动,提出一种磁力耦合驱动结构的优化设计方法。以耗费永磁材料最少的情况下实现传递转矩最大、涡流损耗最小为优化目标,构建改进粒子群算法,对磁力耦合驱动结构进行参数优化设计。根据优化结果设计磁力耦合驱动结构,并通过三维有限元仿真及试验检测验证了所设计结构可满足实际应用的转矩要求,实现了压力容器的零泄漏动密封,可为同领域磁力驱动结构的设计提供指导。     

铝合金铸件定向凝固过程的数值模拟

为了研究铝合金定向凝固组织的变化规律，采用有限元软件ProCAST对Al Si Cu合金定向凝固过程进行模拟,分析了不同浇注温度和抽拉速率对铸件定向凝固过程中的温度梯度、固液界面前沿、糊状区宽度、枝晶生长速率和二次枝晶臂间距的影响。结果表明，当浇注温度越高时，温度梯度越大，而固液界面前沿下凹越小，糊状区宽度也越窄，从而越有利于顺序凝固的发生；随着抽拉速率的增大，枝晶生长速率先增大后减小,当抽拉速率为200 μm/s时，最大生长速度达到0.093 mm/s，铸件凝固组织最佳；当抽拉速率大于300或小于200 μm/s时，都会导致枝晶生长速率缓慢，枝晶生长不平稳，二次枝晶臂粗大。对模拟得到较优的工艺参数进行试验验证，可以制备出具有较好力学性能的铸件。     

超精密大行程麦克斯韦磁阻驱动器磁场建模与推力分析

为了克服大行程麦克斯韦磁阻驱动器在大气隙下漏磁大幅增加、气隙区磁场分布不均匀且非线性强烈等现象导致的磁场和推力解析模型精度较低等问题,利用考虑综合高斯函数的加权漏磁系数的磁路建模方法,改进了磁阻驱动器的三维漏磁分布计算方式,并得到了可准确描述其推力与输入电流函数关系的解析模型,从而为该类驱动器的设计及控制提供重要依据。首先,建立了大行程麦克斯韦磁阻驱动器考虑漏磁前后的工作磁路,分析了永磁偏置磁路的作用及使用永磁偏置结构后仍具有非线性的原因,并利用安培环路定律和磁路的欧姆定律以及磁场的可叠加性,建立了该磁阻驱动器的推力解析模型。然后,为了优化解析模型,提出了基于高斯曲线的加权漏磁系数计算方法,同时利用有限元仿真软件对大行程麦克斯韦磁阻驱动器的三维磁场分布及漏磁系数进行了分析计算,得到了考虑加权漏磁系数的推力解析模型。最后,搭建了大行程麦克斯韦磁阻驱动器推力测试系统,并通过对比优化前后解析模型计算推力与仿真推力和实测推力,验证了解析模型的准确性。结果表明,优化后解析模型的均方根误差仅为优化前的11.1%,其精度得到有效提升;同时,优化后解析模型计算推力与实测推力之间的均方根误差小于0.6 N,精度较高。研究结果对高端微纳制造装备与测量仪器中新型超精密驱动部件的设计有一定意义和参考价值。     

基于正切函数的压电驱动磁滞建模及其控制

压电陶瓷驱动器具有迟滞、蠕变等非线性特性,降低了微纳米定位平台的精度,因此,课题组通过建立压电陶瓷微位移驱动器的磁滞模型以提高精密定位系统的控制精度,并且设计有效的控制系统加以实验验证。课题组建立了基于正切函数的磁滞模型,将磁滞模型串联在系统中,成功抑制了系统的磁滞效应。在控制系统设计中,采用了逆模型控制、PID控制和PID+前馈控制3种控制策略对微位移实验平台进行控制,验证了模型的精确性和可行性。通过对比分析实验结果可得:实验中的3种控制策略均能有效控制微位移平台的运动,其中以PID+前馈控制的控制效果最为优秀。     

三自由度θ_Xθ_YZ柔性机构的柔度分析与计算

针对目前具有三自由度X YθθZ变形特点的柔性机构缺少定量理论分析的情况,以基于直角柔性铰链的三自由度X YθθZ柔性机构为对象,提出了一种整体柔度公式的分析建模方法,推导出整体柔度矩阵中各柔度单元的闭环解析公式,并利用有限元和实验的方法对柔度公式进行校验。结果表明,有限元法和实验方法与闭环解析式结果基本一致。借助于闭环解析公式,分析了柔性铰链结构参数对机构柔度性能的影响关系。整体柔度公式为三自由度X YθθZ柔性机构的设计与分析提供了有效准确的理论方法,对柔性机构在微纳制造装备等工程中应用具有较大的实际意义。     

硅橡胶按键数控荷重测试系统研制

针对目前硅橡胶按键荷重测试机效率低下的现状,基于开放式数控技术和测试技术研制了硅橡胶按键数控荷重测试系统。对硅橡胶按键的荷重以及下压位移进行信号采集,绘制位移-荷重曲线。使用开放式数控技术对测头进行运动控制,实现自动编程。基于B/S结构开发了本系统的远程数据浏览功能。应用结果表明,该检测系统运行稳定可靠,检测精度高,具有一定的实用性和推广价值。     

音圈电机驱动微定位平台线性自抗扰滑模控制

针对音圈电机驱动柔性微定位平台控制速度和精度低以及抗干扰能力弱等问题,设计了一种将滑模控制和线性自抗扰控制相结合的复合控制器来提高平台系统的控制性能。首先,搭建了音圈电机驱动复合双平行四杆柔性机构的微定位平台和实验系统,并进行了系统辨识;其次,设计了线性自抗扰控制器,利用线性扩张状态观测器估计系统的内外扰动并在线进行扰动补偿,针对线性自抗扰控制器性能优化上的局限性,提出滑模控制器解决相位滞后问题来进一步提升轨迹跟踪精度;最后,利用所搭建的实验平台对控制方法进行了实验验证。结果表明,滑模和线性自抗扰复合控制器能够很好地克服内外干扰,与经典PID控制和单独的线性自抗扰控制相比,跟踪正弦波信号的最大误差分别减小了52.98%和21.26%,满足了微定位平台高精高速的控制要求。     

波纹梁夹持型双平行四边形柔性机构性能分析

为解决传统双平行四边形柔性机构中二级运动平台欠约束问题,设计了一种波纹梁夹持型对称双平行四边形柔性机构。首先,提出了一种基于正弦曲线的波纹梁结构,并将其安装在对称双平行四边形机构的2个二级平台之间;其次,建立了机构静力学解析模型,并利用拉格朗日方程建立了动力学模型;最后,利用有限元和实验方法对其静、动力学性能进行了仿真和测试。结果表明:该机构在没有改变机构运动刚度和一阶固有频率的情况下,对二级平台进行了有效约束,从而提升了双平行四边形机构的高阶固有频率,能够有效改善传统双平行四边形机构的动力学特性和抑制振动能力。     

基于LabVIEW的微纳加工系统设计与研究

根据约束刻蚀加工工艺原理要求,开发了基于LabVIEW软件的微纳米加工系统。系统主要由宏动定位平台、微动定位平台、微力传感器、电化学工作站以及控制系统组成。系统通过数据采集卡和运动控制卡来实现仪器的定位与运动控制,对接触检测和主动恒力控制等关键技术进行了重点研究,使用LabVIEW编写了运动控制软件,最后在此系统上开展了光学微透镜阵列的电化学湿印章刻蚀加工试验。实验结果表明该工艺成功地把模板上的微透镜阵列图案复制到了硅基底上,具有较高的复制精度。