一种新型空间微操作平台的设计和性能

设计一种新型的6自由度精密微动平台,并对其静态和动态性能进行分析。利用3对不同方位的柔性铰链设计一种能实现6自由度运动的柔性运动支链,且支链结构设计在同一平面,将2对支链对称放置形成结构紧凑和高强度的微动平台。采用有限元软件ANSYS对平台进行柔度和运动学分析,分析结果表明对称支链1和3能产生Z和Y方向平动和绕X和Y的转动,而对称支链2和4能产生X和Y方向平动和绕Z和Y的转动,所以平台能实现6自由度运动,2对对称支链可以实现运动互补且具有部分运动解耦性。对平台进行灵敏度分析表明输出位移与输入位移为线性关系,平台沿X和Z方向的位移灵敏度相同,绕X和Z方向转角灵敏度相近,但Y方向灵敏度较小,说明平台在Y方向上运动性能不如其他方向的。对平台进行模态分析,从振型可看出其可实现6自由度方向的运动,并分析了在有和无预应力两种情况下的固有频率,两者差值范围为16.8%~33.9%,说明预应力对平台的固有频率有较大影响。     

基于自由度约束互补集的柔顺机构可视化构型库研究

建立了基于自由度约束互补集的三维可视化构型库。根据所需要的柔顺机构自由度,在可视化构型库中任意位置放置工作台,在该构型库中选择自由度空间和非冗余约束,再根据其它性能指标选择非冗余约束,得到具有最优性能指标的柔顺机构。为验证通过构型库设计柔顺机构的可行性,建立了一种两移动自由度柔顺机构微动工作台几何模型,并对该模型进行了有限元仿真分析。结果表明:通过该构型库组合的柔顺机构具有结构简单,解耦输出等优点。     

新型二维并联柔性结构微动平台的设计

为克服串联式和现有并联式二维柔性微动平台的不足,基于Stewart并联机构思想来设计二维并联柔性微动平台的新构型。首先,基于结构简单紧凑、固有频率高、便于传感器安装等要求,采用Stewart并联机构并对其进行相应的结构改变,设计出了具有对称双圆弧薄板式弹性单元体的2-DOF并联柔性结构微动平台新构型;其次,采用有限元方法对平台的尺寸参数进行了优化,并对其静动态特性进行了仿真分析;最后,通过试验对平台的性能进行了测试。结果表明:在150 V电压下时,平台x和y方向的位移分别为22.88μm和23.25μm;平台x和y方向的固有频率分别为1.712 k Hz和1.706 k Hz;在10 N的阶跃输入力作用下,平台x和y方向的响应时间均约为20 ms。     

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。     

基于熵权理论和满意度函数法的柔顺机构多响应稳健优化设计

以细胞注射3自由度柔顺并联微动平台为研究对象,针对微纳机构多响应稳健优化设计中确定各响应权重缺乏理论依据,难以对各设计方案进行全面客观评判差异性的问题,通过建立微动平台多方向的铰链柔度运动模型,引入熵权理论和满意度函数方法来破解微纳柔顺机构多响应设计稳健性的难题,最终得到满足多响应柔度约束条件下的优化设计方案。实例表明该方法可以为满足微纳柔顺机构高、精、尖的可靠性与精度优化设计的严苛要求提供一种新的解决途径。     

基于三维柔性微动平台拓扑优化方法的研究

针对三维全柔顺微动平台进行了结构上的拓扑优化设计,研究了不同体积比下,三维全柔顺微动平台优化的结果。基于三维全柔顺微动平台,运用拓扑优化理论对所设计的全柔顺并联微动平台进行结构上的优化。在全柔顺机构优化过程中刚度和柔度对优化设计同样的重要,因此该拓扑优化设计为多目标的优化设计,采用线性加权法将各个目标函数按一定的加权系数进行线性组合构成新的目标函数。基于MATLAB对设计的柔顺并联微动平台的拓扑优化过程进行仿真。对不同的体积比下优化结果进行了比较,得出当体积比为0.65所得结构为最佳机构,并且与ANSYS分析结果进行对比,得出的结果吻合。     

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。     

6自由度索并联机构的振动特性

6自由度索并联机构可以实现空间大范围的6自由度运动,在装配、对接和定位等应用中具有较大的优势.针对柔性绳索容易引起系统振动的特点,对6自由度索并联机构的振动特性进行分析.利用Newton-Euler方法建立系统的动力学模型,对动力学方程线性化获得系统的振动方程.在此基础上,得出各阶固有频率的分布情况,并分析一阶固有频率对结构参数的灵敏度特性.通过绳索受力频谱分析试验,获得6自由度索并联机构试验平台的一阶和二阶固有频率.试验结果与理论计算值接近,验证了所提方法的正确性.     

二自由度大行程无耦合压电粘滑定位平台

针对微操作与微装配任务对多维大范围精密定位运动的需求,采用粘滑驱动原理并结合压电柔顺机构设计二自由度、大行程、无耦合并联定位平台。利用桥式机构对内置压电驱动器进行位移放大,并与复合解耦结构配合构成二维柔顺驱动机构。交叉滚柱导轨则连接移动台与驱动机构,并通过预紧螺钉调整接触摩擦力,进而获得良好的粘滑运动特性。采用有限元法建立定位平台的静力学模型,并对位移放大倍数、应力和固有频率进行仿真分析。最后,搭建实验测试系统验证定位平台的输出性能。实验结果表明：在扫描驱动模式下,驱动电压为150 V时,平台x和y向的输出位移分别为63.84μm和62.61μm,耦合比为0.52%和0.59%,分辨率为6.5 nm和7.2 nm;在步进驱动模式下,驱动电压为120 V时,平台在x和y向的单步位移分别为47.31μm和47.20μm,耦合比为0.69%和0.73%,x正向、x反向、y正向和y反向的运动分辨率分别为0.49,0.47,0.47和0.42μm,最大垂直负载为50 N,设计的压电粘滑定位平台满足所需性能要求。     

新型并联柔性铰链微动精密平台的研究

基于3-PRC并联机构提出一种由压电陶瓷驱动的新型3-PRC并联微动平台,并进行了构型优化设计;采用矢量法对该平台的位置进行分析,并给出了该平台的理论耦合性误差;采用有限元对其运动解耦性进行了研究。最后制作了实验样机,并进行了实验测试。研究结果表明,该并联微动平台可以实现微米级三维移动,具有较高的精度和良好的运动解耦特性。