2自由度大行程微定位平台结构与参数设计

微机械执行技术是实现微定位操作的关键技术之一,在实现高分辨率的同时,必须满足平台的运动范围要求.基于此,介绍一种具有位移放大功能的多功能微驱动接口模块,研究实际位移放大倍数与输入臂和输出臂比值之间的非线性关系,以及影响多功能微驱动接口模块放大功能的主要因素.将多功能微驱动接口模块和多层折叠梁型移动副结构与2-PPr(P表示移动副,Pr表示平行四边形结构)型二平动并联结构微定位平台结合,提出一种新型二平动大行程微定位平台.分析柔性平行四边形结构中杆件的夹角、平台厚度等关键参数对微动平台位移放大倍数的影响原理,并给出具体的设计方法.采用驱动端点刚度与微定位平台整体刚度相结合的方法,确定压电陶瓷驱动器驱动量与微定位平台末端运动量之间的关系矩阵.结果表明,采用有限元法确定机构参数快速有效,为微动平台的分辨率、行程范围和控制系统设计提供了理论依据.     

一种高精度大行程2R1T并联定位平台

为了解决传统压电陶瓷驱动器所固有的高精度与大行程的矛盾,提出了一种新型可直接外力驱动的三自由度并联精密定位平台,利用压电直线电机直接驱动即可实现大行程与高精度定位。首先,分析了柔性铰链结构参数对其作动行程的影响机理,在此基础上设计了大行程圆柱柔性铰链,并对大行程圆柱柔性铰链的结构参数进行了模糊优化设计;接着,采用两个平移副和一个一体化、大行程圆柱形柔性铰链构建了并联分支链路,采用3条并联支路设计了2R1T并联精密定位平台,并通过坐标齐次变换方法构建了并联平台的运动学模型,推导出了并联平台位姿正反解;最后,对2R1T并联定位平台开展了实验研究。实验结果表明所设计的2R1T并联定位平台具有良好的运动同步性和重复性,利用压电直线电机的步进运动模式可实现精密定位,其平动定位分辨率为0. 09μm,转动定位分辨率分别为0. 8μrad、0. 9μrad和1. 0μrad;利用压电直线电机的连续运动模式可实现大行程空间定位,其平动工作行程为120 mm,转动工作行程分别为6. 18°、6. 74°和6. 58°。借助于压电直线电机的不同工作模式实现了并联平台的精密定位和大行程工作空间两个关键指标,为进一步研究2R1T并联机构的动态性能、精密定位及控制规律的实现等提供了重要的理论价值和实践基础。     

柔性铰链微定位平台的设计

设计了一种以平行板铰链机构进行导向,以桥式机构进行位移放大的新型压电陶瓷驱动微定位平台。应用弹性力学和材料力学理论建立该平台的桥式放大机构和平行板铰链机构的理论模型,分析了平台的驱动力、输出位移、刚度和固有频率,并运用Matlab软件优化了桥式机构铰链长度、厚度,平行板铰链长度及厚度等几何参数,获得了微定位平台的最优值。对优化后的结果进行了有限元仿真,并搭建了测试系统对平台性能进行了测试。测试结果显示,理论分析与实验结果的最大误差为9.8%,有限元分析与实验结果的最大误差为4.2%,得到的结果验证了理论分析和有限元分析的正确性,实现了平台体积小,放大倍数高,位移输出大的设计目标。     

一种新型3自由度大行程微定位平台设计与分析

为解决微定位平台大行程与高精度之间的矛盾,提出一种新型的3自由度柔性并联机构。该机构三条支链采用特殊方式与动平台相连,使整体机构结构紧凑且具有良好的力学传递性能。同时,机构采用行程大,分辨率高,便于控制的电磁驱动器作为驱动部件,保证机构在不需要引入放大机构的前提下便可获得较大的行程和较高的分辨率。使用大行程柔性铰链代替普通的球铰,降低了加工制造难度和机构刚度模型的求解难度。采用螺旋理论分析了3-P(4S)并联机构末端运动特征,结合单元刚度矩阵法和矩阵位移法推导了3-P(4S)柔性并联机构的静刚度模型,并采用ANSYS进行了分析验证。     

大行程高分辨率微定位机构的设计分析

压电驱动器的位移输出能力有限,因此通常借助于柔性机构对其位移量进行放大。对常用的柔性放大机构的性能进行了分析。提出一种柔性八杆放大机构,并对其进行有限元分析和理论计算。为了提高放大率,提出两级串连式机构。机构整体具有结构紧凑、放大效率较高的优点。     

大行程高分辨率微定位机构的设计分析

压电驱动器的位移输出能力有限,通常借助于柔性机构对其位移量进行放大。提出一种柔性八杆放大机构,并对 其进行有限元分析和理论计算。为了提高放大率,提出两级串连式机构。机构整体具有结构紧凑、放大效率较高的优点。     

大行程转动柔性铰链性能测试及实验

针对大行程柔性铰链铰链运动范围较大,转动误差相对较小,实现其转动精度的测量比较困难的问题,提出了一种间接测量大行程柔性铰链转动精度的方法.首先对柔性铰链转动精度的衡量指标进行定义和比较;然后选择合适的指标,提出间接测量该柔性铰链转动中心漂移量和刚度的方法.该方法利用工具显微镜测量铰链运动刚体上的两个特征点在转动过程中的坐标值,从而解算出柔性铰链在不同转角时转动中心点的位置.由此不仅得到了转动中心漂移的大小,还可以得到轴漂的方向.基于该方法搭建了实验平台并对实验误差进行了分析,分析显示其误差主要为特征点坐标的测量误差.实验结果与有限元仿真对比表明,测量结果的误差小于0.006 mm,基本满足对大行程柔性铰链精度测试的要求.     

长行程精密定位平台的设计

音圈电机与柔顺机构的结合,设计了一个在固定运动范围内具有高精度定位能力的精密定位平台,分析了平台参数的确定方法。给出了提高定位平台稳定性的措施。     

大行程柔性铰链Hexapod机构参数优化设计

大行程柔性铰链Hexapod机构的性能很大程度上取决于柔性铰链的性能。同样构型的柔性铰链,行程越大其离轴刚度越低,从而导致大行程全柔性铰链Hexapod机构整体的静刚度和精度下降。讨论了Hexapod机构运动学逆解的求解,包括每个支链的伸缩的长度以及每个铰链的转动角度的求解。在此基础上讨论了大行程全柔性铰链Hexapod机构参数优化设计,使得满足动平台运动空间要求的前提下各个铰链的行程要求最小,并针对设计中的大行程柔性铰链Hexapod机构进行了参数优化设计。     

基于几何非线性方法的大行程柔性并联机器人位置解

提出了一种厘米级行程、微米级精度的柔性6-PSS并联机器人,该机器人的被动关节采用了大行程柔性铰链。首先,提出了大行程柔性铰链的概念并建立了其刚度矩阵;通过组集支链刚度矩阵以及建立适当的协调方程,得到基于刚度矩阵的柔性并联结构的位置解模型;由于模型中几何非线性问题的存在,在求解位置反解时,采用了修改的拉格朗日列式法;最后,给出了基于增量法解答的位置解算例。     

大行程精密定位超磁致伸缩驱动器的设计与控制

实现一种新型的固态智能材料驱动大行程精密驱动器的设计和控制。基于超磁致伸缩驱动原理和柔性铰链放大机构,采用非永磁和永磁偏置驱动器粗—精驱动组合设计,研制大行程精密超磁致伸缩组合驱动器。建立永磁偏置下的电磁、永磁复合磁场激励的驱动器位移控制系统传递函数模型,实现了粗、精分级精密定位控制方法。实现一套超磁致伸缩组合驱动器原型样机,并进行了精密定位驱动试验验证测试。试验结果证明系统模型的准确性和控制方法的有效性,样机驱动行程可达0.71 mm。并测得在温升负效应情况下,控制行程在0.6 mm范围内,所设计超磁致伸缩组合驱动器位移分辨率为±30 nm,驱动位移精度达±90 nm。研究成果可广泛用于基于固态智能材料驱动的大行程精密驱动装置的设计和实现。     

大行程偏心轮夹紧机构的设计

标准的圆偏心轮夹紧机构具有夹紧迅速方便的特点，特别适用于中小型零件的批量生产。但其夹紧行程小，使得应用范围受到一定限制。若增大偏心距来扩大行程会使偏心轮的直径培大而造成结构不紧凑，与杠杆压板联用来放大夹紧行程会使夹紧办同倍数地减小，使夹紧办的可靠性降低且结构复杂。如果采用带过渡段式大行程圆偏心轮则能大幅度增加夹紧行程并使结构十分紧凑．一、工作原理大行程偏心轮夹紧机构由过渡段和自锁段两部分组成。其设计原理是对自锁段范围内每一工作点要求具有自锁性。理论上自销毁的偏心转角机的变化范围为0’＜扒＜180o，…     

具有耦合补偿功能的大行程二维柔性平台

设计了一种基于双级复合平行板簧结构的大行程二维并联微位移平台,以解决二维柔性平台尺寸大、行程小,运动耦合误差大,运动性能受加工误差影响等问题。设计的微位移平台在每个运动方向均采用两个音圈电机同时驱动,通过调节两音圈电机信号比例来补偿加工误差造成的运动耦合误差,完成X和Y方向的运动解耦,从而降低系统对加工精度的依赖程度。根据卡氏第二定理建立了平台力学模型,优化了平台尺寸参数,并利用有限元仿真对设计的平台性能进行验证。最后,搭建了微位移定位系统实验平台。实验结果表明:设计的柔性平台行程与平台尺寸占比大,定位精度高,运动解耦性能得到大幅改善,实现了±2.25mm×±2.27mm工作行程,工作行程与平台尺寸占比约为1.73%,运动耦合误差小于0.27%。     

高频响大行程微位移机构的研究

介绍了高频响大行程微位移机构研究的背影,结构特点,闭环系统的设计,以及在非圆截面零件数控车削中的应用。解决高频响与大行程之间的矛盾是设计微进给装置的关键。笔者采用永磁动圈式直线电机的方式成功地解决了这一矛盾,并在此基础上采用先进的控制策略构成闭环系统,解决了高精度跟踪正弦信号的问题。     

大行程压电驱动旋转平台的设计与分析

提出了一种新的压电驱动的旋转平台,用来在微米及纳米级操作中实现高精度、大行程的转动,平台包括两个夹具、一个驱动器和一个扭矩输出轴.通过驱动器驱动,并且利用两个夹具间的轮换工作而得到连续的旋转位移.分别在驱动器和夹具中使用Scott-russell机构和桥式机构,通过这两种柔性机构来分别实现旋转运动和得到较大的位移.对于主要的零件部分,使用有限元法进行分析,根据结果进行优化.     

典型柔性铰链转角柔度对比分析

柔性铰链结构广泛的应用于精密定位系统中,利用卡氏第二定律推导了柔性铰链的通用转角柔度计算公式。引入两个无量纲参数,通过将典型柔性铰链的柔性部位的边沿曲线表述为圆锥曲线形式,建立了含有共同参数的典型柔性铰链的转角柔度计算公式,采用有限元法对所建立的转角柔度公式进行了验证。在此基础之上,以圆形柔性铰链的转角柔度为基准,定义了转角柔度比函数,对比分析了典型柔性铰链的转角柔度特性,为确定大行程柔性机构设计时的基本变形单元提供了理论依据。     

用拓扑优化方法进行微型柔性机构的设计研究

研究了微型柔性机构拓扑优化设计中的几个关键问题，提出了一种基于优化准则法和移动渐进优化算法的综合求解策略，在柔性机构设计中采用了非线性求解技术和伴随矩阵敏度分析技术，并将这些关键技术在算法上进行了实现，设计出了几种典型的微型柔性机构器件。     

并联Roberts柔性机构及其微定位平台的结构与位移分析

分析了平行四杆柔性机构与并联Roberts柔性机构的伪刚体模型,并对其耦合位移进行了定性比较;利用闭环矢量法确定了Roberts机构特征点位置;建立了考虑轴漂的位移计算模型,与有限元仿真值相比该模型的最大相对误差仅为2.43%;将对称布置的并联Roberts柔铰机构应用于微定位平台,提出了一种3-PRR微动平台新结构,利用功能转化原理建立了整体机构的输入输出关系矩阵,并与试验结果作了对比,结果表明绕z轴转角的最大误差为5.60%。     

全柔性微位移放大机构的设计与分析

微机械放大器中常采用全柔性微位移放大机构来实现输出位移的放大,且大多采用短臂柔性铰链连接各构件。设计了一种对称的长柔性杆微位移放大机构,结合弹性力学和Bernoulli-Eu-ler假设,推导出该放大机构的力位移计算公式及放大比公式。对影响该机构放大比的关键因素进行了分析,通过实例分析得到该机构中的长柔性杆角度与输出位移之间的关系。同时用有限元方法对该实例进行了仿真分析,并对两种方法所得结果进行了分析比较。     

单向平动微位移机构的力学分析

研究了以柔性铰链为转动副的微位移机构中柔性铰链的转角变形和受拉变形与外加载荷及铰链的几何参数的关系;对单向平动微位移机构做了细致的受力分析,推导出了一定结构参数下该机构在受力时的封闭方程,从而得到在此机构上的工作台面的平动位移公式。通过设计正交试验表,用有限元软件对位移公式所做验证的结果表明理论模型分析基本符合模拟的结果。