基于虚功原理的3-RRPR柔性精密定位工作台动力学分析

为了实现柔性精密操作系统的高频控制,提出一种新型空间柔性并联精密定位工作台系统,该工作台采用多个压电陶瓷驱动方式,通过半圆形凹槽单自由度柔性铰链的弹性变形实现末端执行件3平动自由度的主动调整.根据机构伪刚体模型,采用矢量闭环方法建立其位置、速度以及加速度方程,并结合柔性铰链弹性应变能,采用虚功原理方法进行动力学分析,推...     

压电驱动柔性铰链机构传动实现超精密定位

简单介绍压电元件和柔性铰链的概念与特点。列举压电元件与柔性铰链机构结构实现超精密定位的典型例子，包括超精密测量、超精密加工、光学自动聚焦和大行程超精密定位。为使超精密定位工作台的结构紧凑，提出单驱动多自由度运动机构。应用蠕动式的运动原理可合成机构上的多自由度运动，并实现大行程运动。设计了对称结构的柔性铰链机构实现导向功能。制造和装配了微小型平面工作台。     

六自由度微位移定位平台的设计与试验

压电叠堆与柔性机构构成了微位移的基本形式,其行程与精度、输出力的矛盾需要结合应用要求对结构进行综合设计。针对所构建的超精密加工工具对六自由度微位移的需求,提出了一种以压电叠堆作为驱动元件,以柔性铰链和楔形机构作为传动机构的空间六自由度微位移定位平台。由于压电叠堆需要一定的预紧力才能发挥其微位移精度和输出力的优势,通过静力分析,得出了微位移平台各个自由度驱动力和位移输出关系的表达式及刚度表达式,对结构进行了优化。试验表明,各自由度的行程与分辨率如下:x,y,z方向的最大位移分别为7.48,8.33和4.14μm,分辨率为0.01μm;沿θ_x,θ_y,θ_z方向的最大旋转角度均为0.13°,分辨率为0.01°,满足所构建的超精密加工工具定位的精度要求。试验获得了微位移定位平台的激励电压与各自由度位移输出曲线,为平台的运动、定位控制提供了依据,也为柔性铰链机构和楔形机构在其他结构中的应用提供了理论依据和试验基础。     

三种两自由度柔顺精密定位平台的性能对比与分析

针对传统的缺口型和直片型柔性铰链平台行程不足的特点,设计了一种波纹簧片型柔性铰链,并在此基础上设计了由电磁驱动的两自由度柔顺精密定位平台。基于波纹簧片型、缺口型和直片型柔性铰链平台的特点建立有限元模型分析了这三种平台的静态和模态性能,包括行程,固有频率等。利用电磁驱动作为定位平台的输入驱动,综合对比了三种平台的实际行程,耦合位移,重复定位精度等性能,验证了有限元分析的正确性。结果表明,相比于缺口型和直片型柔性铰链平台,基于波纹簧片型柔性铰链的两自由度柔顺精密定位平台具有行程大,定位精度高的特点,对于柔顺精密定位平台的研究具有重要的参考价值。     

三自由度精密定位工作台的设计与仿真

研究设计一种以压电陶瓷为驱动器,柔性铰链机构为导轨的精密定位工作台.分析和计算柔性铰链微位移放大机构的位移放大倍数和静态刚度,建立精密定位工作台的输入输出方程,确定微定位工作台各自由度的变形量与压电陶瓷驱动器伸缩量之间的关系.最后使用ANSYS软件对微定位工作台的运动进行仿真,给出微动平台的运动范围.     

柔性铰链的微动平台设计

根据高性能直线电机直接驱动宏动平台和宏/微双重驱动精密定位机构的要求,基于柔性铰链设计微动平台,实现大行程纳米级别的分辨率和定位精度;微动平台采用压电陶瓷驱动,安装于宏动平台上;整个宏/微系统采用精密绝对光栅和精密增量光栅二级位置检测以解决大行程和高分辨在检测上的矛盾问题,以此为位置反馈实现闭环控制。在平台结构设计的基础上建立系统质量刚度动力学模型,分析平台在阻尼垫块不同的情况的稳定性能。     

压电驱动超精密定位工作台的研究

研究、设计了一种压电式超精密微定位工作台。此工作台在伺服电机驱动的滚珠丝杠进给系统的基础上，采用压电陶瓷作为微位移驱动器，柔性铰链为导向机构，对工作台运动位置自动补偿，实现了超精密定位。文中对柔性铰链机构进行了合理的设计，以实现长行程超精密定位。压电陶瓷配合柔性铰链使用使工作台定位精度达到0．01μm，可满足精密、超精密加工需要。     

新型3-RPC柔性精密平台的刚度与动力学分析

提出了一种新型空间柔性并联精密平台,该平台采用压电陶瓷驱动方式,通过单自由度柔性铰链的弹性变形实现末端执行件3个方向的运动;采用柔度矩阵变换法,建立了该柔性精密平台的刚度模型,并用有限元方法对刚度模型进行了验证。在此基础上,讨论了柔性铰链结构参数对平台刚度的影响规律;采用拉格朗日法建立该平台的动力学方程,利用有限元对其进行了模态分析,讨论了3组不同柔性转动副结构参数对微动机构自然频率的影响。     

基于新型二级杠杆机构微定位平台的设计与分析

针对传统杠杆放大机构在柔性平台构型设计中存在放大倍数低和响应速度较慢的不足,提出了一种新型二级杠杆放大机构,并在此基础上设计压电陶瓷驱动的单自由度微定位平台.根据柔性铰链的物理特性,通过差异化的铰链组合方式来实现并改善柔性平台的结构功能,进而综合设计一种具有敏捷响应速度和大范围输出位移的新型二级杠杆机构.基于拉格朗日定...     

新型六自由度微动并联机构的工作空间分析

在实现天文光学镜面毫米级行程位姿调整和微纳米级精密定位中,基于全柔性铰链的新型3SPS+3(SP-U)六自由度并联机构的工作空间主要由柔性铰链相对较小的回转空间所定义。分析了3SPS+3(SP-U)并联机构运动自由度及其部分自由度解耦特性,并根据实物样机的几何参数建立了其运动学逆解模型。在此基础上,基于柔性铰链回转空间及支链行程范围,采用搜索法分析了其工作空间,并采用激光跟踪仪对样机的工作空间进行了实测。理论计算和实测结果验证了该机构动平台中心点的平动位移空间可达±3 mm,转角空间可达±1°,确保了其在应用中具有足够的工作范围,达到了设计目标。     

一种大工作空间密度的压电微动二维工作台设计

针对目前微纳定位工作台工作空间密度小的问题,设计了一种新型二自由度对称式并联微纳定位工作台。分析了影响平行四边形位移放大机构变形的主要因素;对直圆柔性铰链、平行板柔性铰链和倒圆角直梁型柔性铰链进行刚度计算;采用能量法和位移矩阵得出平行四边形位移放大机构输出力和载物台运动位移的计算公式;优化平台尺寸,并对优化后的结果进行有限元仿真和实验分析。实验后得到设计平台的工作空间尺寸为143.7μm×142.1μm,工作空间密度可达2.521μm~2/mm~2,与同类型平台相比,能够实现较大的工作空间密度。     

面向光学精密装配的微操作机器人

为完成复杂的光学精密装配任务,开发一种多传感器混合控制的宏/微结合微操作机器人系统.在分析光学装配原理的基础上,阐述机器人系统的组成.研制由交流伺服电动机驱动的6自由度并联机构和由压电陶瓷驱动的5自由度柔性铰链机构,分别实现光学器件的粗定位及精定位,由压电陶瓷驱动的二级杠杆放大机构实现光学器件的可靠夹持.建立包括位姿检测、显微视觉、激光损耗检测及力检测的多传感器控制系统,根据传感器采集的位姿信息、视觉信息、损耗信息及力信息协调控制宏/微定位工作台精确调整光学器件的位置和姿态,实现装配自动化.试验表明,开发的面向光学精密装配的微操作机器人能够成功地完成光学器件的精确装配.     

一种新型精密微定位平台的设计与分析

为了减小微定位平台的寄生运动,提高微定位平台的直线度,采用二级柔顺杠杆机构作为放大机构,以直梁型柔性铰链作为导向机构,设计了一种基于压电陶瓷驱动的新型精密微定位平台。根据虚功原理建立了新型精密微定位平台的理论模型,推导了其放大倍数、刚度的计算公式;采用ANSYS Workbench对新型精密微定位平台进行了有限元仿真分析,并搭建了试验测试系统。试验结果表明:微定位平台的最大行程可以达到68.32μm,放大倍数可以达到2.02,直线度为1.19%～1.42%,误差较小。经比较分析,试验结果与理论值贴合度较高,表明二级柔顺杠杆机构响应速度快、定位精度较高。     

基于柔顺机构的两自由度微动精密定位平台的分析与设计

基于柔性铰链变形原理设计了一种压电驱动的两自由度柔顺机构微动精密定位平台.首先建立了平台的刚度、固有频率和强度的分析模型,通过优化设计得出了平台的最优结构尺寸.利用有限元软件仿真分析验证了设计模型和优化结果的正确性.最后制造了原型样机,进行了实验,对平台进行了标定并分析了平台的定位误差.     

铰链加工误差影响柔顺平台耦合的分析

精密定位、精密测量领域中除了要求精密定位平台具有高的定位精度外,还要求平台具有小的运动耦合性.柔顺定位平台中柔性铰链的关键尺寸加工误差将会对平台的运动耦合带来影响,必须进行合理的尺寸精度设计.针对所设计的一种纳米级定位精度两自由度柔顺平台,分析了不同位置铰链加工误差对定位平台耦合的影响,确定了对耦合影响最大的因素,给出了平台铰链关键尺寸精度设计的建议.     

一种亚微米压电柔性微动系统设计及性能分析

为获得精密直线运动输出,设计一种压电柔性微驱动系统,系统由压电致动器及柔性微动机构组成,在压电致动器驱动下系统具有亚微米级定位精度。基于柔性铰链导向、传动原理,设计了一种精密柔性微动机构,在此基础上提出了压电柔性微驱动系统设计方案。采用有限元法对系统进行了运动学分析、强度分析、动态分析,分析结果显示,系统具有定位精度高(最大定位误差为0. 24μm)、强度性能好、动态性能优良等优势。研究对微驱动系统研究及应用具有一定的参考价值。     

微驱动定位进给系统结构优化设计研究

当前宏微双驱动定位进给系统中微驱动平台力学性能差、精度低,且柔性铰链作为微驱动平台关键部分,直接影响着微驱动平台的定位精度等各项性能。为此,采用OptiStruct软件对微驱动定位进给系统的柔性铰链进行结构拓扑优化后,以工程塑料(ABS)为原材料通过3D打印进行加工。利用有限元对整个微动平台系统进行模态分析并通过模态试验进行了验证。最终获得柔性铰链以及整个微动平台的最优结构,在保证结构刚度、精度的同时达到了结构轻量化的目的。     

多环柔性铰链平行机构的综合分析及解耦

当微定位台的结构是多环、多自由度时,由于空间的限制,通常其运动方程是耦合的,需对它进行综合分析和解耦。本文用螺旋理论对多自由度柔性铰链的运动和动力学解耦问题进行研究和探讨,并以一实例说明了其解耦设计方法。这对准确实现指定动作、正确设定驱动点的位置、合理确定机构的结构形式,最大限度地减小各自由度间的动态干涉有很重要的意义。     

直圆型柔性微动回转机构设计及性能研究

采用边界元法对等截面梁进行静态弯曲变形分析,利用机械系统无坐标变换刚性结合法将多个等截面梁合成变截面梁,解析出直圆型柔性铰链刚度方程;基于直圆型柔性铰链的导向及传动原理,设计出一种可将直线位移转换为回转位移对称驱动导向及转换的微动回转机构,并对机构进行自由度分析;利用有限元法对该机构进行静力学分析,结果显示机构最大模拟应力远小于材料许用应力;采用有限元法对该机构进行动力学自由模态分析,并完成机构的模态分析试验,二者最大误差为6.52%,结果证明机构具有较高的前6阶固有频率且在精密宏微驱动回转系统运动过程中不会引起共振。机构性能分析及试验结果显示微动回转机构单自由度驱动、可靠性强、模态性能好。     

一种精密平台的柔性铰链设计和有限元验证

精密平台是一种能够提供微位移的高精度工作平台,柔性铰链作为传动机构,在精密平台设计中广泛应用。柔性铰链是决定平台性能的关键,柔性铰链的结构形式和尺寸参数影响着定位精度的高低。设计了一种叠加支链形式的柔性铰链结构,推导了基于该柔性铰链的二维精密平台的工作刚度、耦合刚度、耦合系数、铰链应力等性能指标的解析公式,并采用了有限元软件对性能指标进行了验证。仿真表明,两者具有良好的一致性,为应用于精密平台的柔性铰链设计提供参考。