考虑复杂多响应问题的柔顺机构稳健优化设计

以细胞注射3-RRR柔顺并联微动平台为研究对象,针对柔顺并联机构多响应设计存在不稳定的难题,根据3-RRR柔顺并联微动平台沿X向、Y向平动和绕Z轴转动时的柔度关系,采用田口设计及蒙特卡洛仿真方法,在满足X向柔度具备较强稳健性的情况下,对微动平台Y向平动和绕Z轴转动时转动中心的柔度分别进行了迭代寻优,揭示了柔性铰链各种设计因子对微动定位平台多响应柔度的影响规律,找出了柔性铰链最佳的几何尺寸,为考虑不确定性扰动情形下柔顺机构复杂多响应问题的稳健优化设计提供了一种新的解决途径。最后通过实例验证了该方法的有效性。     

一种三自由度全柔性并联微动激振台的设计

根据工程多维振动模拟的需要,设计了一种非对称全柔性3-RRRP微动并联激振台机构。在普通非对称3-RRRP并联机构基础上,将机构中的普通关节全柔性化,形成新型全柔性微动并联机构,在全柔性并联机构的主动件处施加单自由度的压电陶瓷激振器,设计出全柔性的多维微动激振台,经理论分析,发现该振动台具有三平移的微振动模拟输出。最后,对之进行了ADAMS软件仿真模拟,模拟结果显示,此种全柔性多维微动激振台可以以单层结构实现不同方向单自由度的平动振动模拟,也可以实现多维(二自由度或三自由度)微动振动的模拟输出,且激振输入与振动输出运动学完全解耦,具有相同的振动规律与振动频率,容易控制。     

基于响应曲面法的柔顺机构多响应问题稳健优化设计

以细胞注射3自由度柔顺并联微动平台为研究对象,针对柔顺并联机构多响应设计存在不稳定的难题,通过建立以微动平台多方向的铰链柔度为响应变量的精密定位及运动模型,引入响应曲面方法来解决多响应问题,通过揭示柔性铰链各种设计因子对微动定位平台多响应柔度的影响规律,破解了微纳机构多响应设计的难题,最终得到满足多响应柔度约束下的最佳稳健优化设计方案。该方法为满足微纳柔顺机构高、精、尖的可靠性与精度方面严苛要求的优化设计提出了一种新的解决途径,最后通过实例验证了该方法的正确性和有效性。     

用于角位移补偿的新型XYθ微动定位平台

设计了一个新颖的三自由度微动定位平台,用于补偿现有宏定位平台的定位误差。通过柔性铰链柔度公式计算出放大比,用ANSYS仿真软件分析出机构的固有频率,通过一些开环实验得到的数据可以证明该3-RRR微动平台具有较好的性能。     

考虑质量损失的柔顺机构多响应优化设计

针对现有的微纳机构多响应优化设计方法很少考虑设计过程存在的质量损失的实际情况,以细胞注射3自由度柔顺并联微动平台为研究对象,提出一种基于设计过程质量损失视角下的复杂多响应优化设计方法,通过建立以微动平台多方向的铰链柔度为响应变量的模型,在利用响应曲面方法来揭示柔性铰链各设计因子对微动平台多响应柔度的影响规律的基础上,采用设计过程质量损失模型来评估各设计方案的优劣。解决了当仅考虑机构设计技术参数要求而可能出现的难以评判各设计方案的优劣问题,为最终得到满足多响应柔度约束下的最佳优化设计方案提供了新思路,最后通过实例验证了该方法的可行性和有效性。     

集中柔度全柔性机构拓扑优化设计研究

根据集中柔度全柔性机构特点,基于连续体拓扑优化技术,采用SIMP人工材料密度方法.以机构的刚度和柔度要求相结合的功能函数作为优化目标,建立集中柔度全柔性机构拓扑优化设计模型.采用优化准则法进行数值计算,并推导了迭代公式.通过所建立的优化模型设计出的机构拓扑图形具有"集中柔度"特征,为集中柔度全柔性机构的设计提供了基础.数值算例证明了研究方法的有效性.     

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。     

基于柔性铰链的柔性放大机构参数化设计

为了对柔性微位移放大机构进行优化设计,有必要对柔性铰链及柔性放大机构进行参数化分析与研究。提出了一个通用的结构参数ε,探讨了ε对不同柔性铰链柔度系数的影响规律,并横向比较了常用柔性铰链的柔度特性。另一方面,基于柔度特性的影响分析,提出了新的参数柔度比λ,重点分析了不同柔度比λ的柔性铰链主要输出位移形式的灵敏度。以实际的桥式柔性微位移放大机构为例,利用参数ε和λ实现了该柔性放大机构的参数化设计,并用有限元软件进行了仿真计算。实验测量结果表明,对基于柔性铰链的柔性微位移放大机构进行参数化设计,最终输出位移行程与有限元仿真设计的结果误差率为3.80%。基于柔性铰链的结构参数ε和柔度比λ对柔性放大机构进行参数化设计是可行且正确的,有利于这一类柔性放大机构的优化设计。     

微位移放大机构的分析与计算

基于力学理论提出一种通用的柔性铰链柔度的计算方法,适用于各种切口形状的单轴和多轴柔性铰链的设计计算。推导出直圆柔性铰链在平面受力状态下的柔度计算公式,并分析了直圆柔性铰链结构参数与性能的关系。分析一种微位移放大机构的结构与工作原理,推导出微位移放大机构获得较大输出位移时,机构中两直圆柔性铰链结构参数应满足的关系,计算结果表明本文方法正确有效。     

基于柔度比优化设计杠杆式柔性铰链放大机构

分析与研究了柔性铰链的柔度特性,用于柔性放大机构的优化设计。提出了一个通用的柔度比参数λ,探讨了具有不同柔度比λ的柔性铰链主要输出位移形式的灵敏度,分析了它对常用柔性铰链的柔度特性的影响规律。然后,以柔性铰链的柔度比λ为基本参数,在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,推导了二级杠杆式柔性铰链放大机构放大率的理论计算方法,并依据柔性铰链的柔度比特性提出了柔性放大机构的优化设计方法。开展了有限元仿真和实验研究。结果显示,优化后的柔性放大机构的放大率比优化前的放大率分别提高了0.234和0.23。实验表明,依据柔性铰链的柔度比λ对柔性放大机构进行优化设计能够有效地提高柔性放大机构的位移放大率与工作行程,进而提高放大机构的末端运动及定位精度。