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。     

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。     

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。     

基于田口和满意度函数法的柔性铰链多响应稳健优化设计

针对细胞注射3-RRR柔顺并联微动平台多响应优化设计中存在柔性部件"欠"变形或"过"变形而导致柔度不稳定的难题,将田口方法和满意度函数进行结合,提出了一种解决多响应稳健性优化的新方法。该方法首先通过建立微动平台多方向的铰链柔度运动模型,在此基础上进行响应曲面试验设计;然后引入田口方法对多响应进行稳定性分析;最后利用满意度函数将多响应稳定性问题转化为求综合满意度函数最大值的简化问题,得到满足约束条件的稳健性优化设计方案。实例表明该方法可以为柔性铰链多响应稳健优化设计提供一种新的解决途径。     

基于改进满意度函数的柔顺机构多响应稳健优化设计

针对细胞注射3-RRR柔顺并联微动平台多响应设计中没有同时考虑稳健性与最优性的难题,通过引入双响应曲面法的思想,提出了一种基于改进满意度函数的多响应稳健优化设计。该方法首先建立了微动平台多方向的铰链柔度运动模型,在此基础上进行响应曲面试验设计;然后引入双响应曲面考虑了多响应的均值与方差,并拟合出多响应均值和方差的曲面模型;最后通过满意度函数将多响应问题转化为求综合满意度函数最大值的简化问题,得到了满足约束条件的稳健性优化设计方案。实例表明:该方法可以为柔顺机构的多响应稳健优化设计提供一种新的途径。     

考虑质量损失模型的多响应柔顺机构容差设计

针对多响应柔顺机构设计中既要保证机构性能的精度又要降低其制造成本的问题,以3自由度的柔顺并联细胞注射微动平台为研究对象,提出一种考虑质量损失模型的多响应容差设计方法来对具有复杂多响应问题的柔顺机构进行容差设计。该方法通过建立复杂产品的质量损失模型来表征复杂多响应柔顺机构的质量损失并引入田口方法的思想对其进行容差设计,利用熵权理论确定柔顺机构各方向柔度的重要程度和方差分析方法确定各设计变量波动对柔顺机构各方向柔度稳健性的重要程度,在已确定各设计参数最佳组合的前提下,通过综合考虑复杂多响应柔顺机构的质量水平和制造成本来确定各个设计参数的容差,从而完成对具有复杂质量结构的多响应柔顺机构的容差设计,为多响应柔顺机构的容差设计提供一种新的设计思路。     

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。     

基于响应曲面法与满意度函数的柔顺机构多响应稳健参数设计

针对微指针放大柔顺机构在进行作业测量时,其柔性铰链部件在受到外界变载荷作用下柔度存在不稳定的实际情况,引入基于响应曲面法与满意度函数的多响应稳健参数优化设计。首先构建微指针放大柔顺机构的柔性铰链稳健参数设计模型,运用Minitab的中心复合有界设计模块对模型进行试验设计,获取试验数据;进而利用响应曲面法对试验数据进行分析,得到各显著性因子项,并对各响应值进行模型拟合;其次对拟合响应曲面模型的精度进行检验;最后采用满意度函数法,将多响应问题转变为求复合满意度函数加权几何平均值最大化的单响应问题,进而得到多响应稳健参数设计的最优方案。案例表明,该方法能够实现提高柔性铰链稳健性与精确性的目标,为柔性铰链的稳健参数设计提供了新的解决方案。     

3自由度精密定位平台的运动特性和优化设计

为了实现3-RRR柔顺并联精密定位平台的精确运动,研究了它的封闭形式精确运动模型和尺寸优化设计。采用卡氏第二定理建立精密定位平台的封闭式柔度模型。根据柔顺并联机构的结构特点,将其划分为3个对称分布的运动支链,并结合铰链的柔度模型和机构力传递关系分别推导出各个支链的刚度模型,整个系统的刚度为所有支链在同一坐标系下的刚度的叠加。建立的刚度模型是以柔性铰链的柔度为变量的封闭形式模型。根据柔度矩阵可得到反映输入位移和输出位移之间关系的雅可比矩阵。理论模型与有限元分析的比较结果显示,两者所得的运动模型误差为1.0%～9.5%,证明了所推导运动模型的正确性和精确性。根据雅可比矩阵的封闭公式,分析其对结构参数的灵敏度,并由此选出对平台运动特性影响较大的优化设计变量。提出以最大化平台工作空间为目标,以铰链强度、最大输入力、几何尺寸和输入耦合为约束的优化模型。结果表明,优化后的结构参数能获得更大的输出位移,说明该方案能满足优化设计要求。     

基于对称型柔顺铰链的三自由度微定位平台设计与分析

通过对一种新型柔顺铰链进行分析,设计一种基于对称型柔顺铰链的三自由度微定位平台。首先,采用ANSYS有限元方法,对一种新型柔顺铰链的输入力和输出位移间的关系进行分析。根据分析结果,通过优化设计得出一种对称型柔顺铰链。然后,设计一种基于该对称型柔顺铰链三自由度微定位平台,并对设计的微定位平台进行理论分析和有限元分析,得出其输入输出位移关系,而且理论分析和仿真分析结果基本吻合。同时,采用基于理论分析模型的仿真分析修正方法对微定位平台的传递传递函数矩阵进行修正,提高微定位平台的定位精度。此外,分析了该微定位平台的应力变形,确定了其所选材料的力学性能指标符合设计要求。结果表明,该微定位平台能够符合大多数精密领域的需求,在精密定位领域具有一定的应用前景。     

基于灰熵法的柔顺机构多响应稳健优化设计

针对柔顺机构的刚柔特性及结构参数与响应特性之间存在相关性不确定,导致其多响应权重难以确定的问题,提出灰熵法应用到柔顺机构的多响应稳健优化设计过程中,选取单边混合型柔性铰链为研究对象,结构参数作为可控因子进行稳健设计,采用有限元分析得到仿真试验结果。然后根据柔度的望目特性构造出多目标函数,进行回归分析得出各柔度信噪比与结构参数之间的拟合关系,建立了灰熵模型,利用熵权法计算各柔度的权重,并采用灰色关联法进行修正。最后将不同权重确定方法下的最优结构参数组合、各向柔度及其信噪比进行比较,验证了灰熵法的可行性。     

改进质量损失函数的多响应稳健优化设计

针对传统的多响应优化方法很少同时考虑到优化结果的最优性与稳健性以及容易忽视各个响应质量损失的问题,通过引入双响应曲面法的思想,提出了一种基于改进质量损失函数的多响应稳健优化设计新方法。通过双响应曲面法与多变量质量损失函数的相互结合,同时考虑了各个响应的均值和方差,首先通过拟合各个响应的均值回归方程和方差回归方程并将其结合到多变量质量损失函数中,然后通过主客观权重法科学设置各响应均值和方差质量损失的权重,最后将多响应的稳健优化问题转化为求解综合质量损失最小值的问题。以细胞注射3自由度柔顺并联微动平台中的双曲柔性铰链为研究对象进行研究,结果表明,该方法能够有效地解决具有多个响应问题的稳健优化,为多响应稳健优化设计提供新的思路。     

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。     

考虑不确定性的柔顺机构柔度6σ稳健优化设计

针对柔顺机构传统确定性优化设计未充分考虑设计变量的随机波动而导致其功能稳定性较差的难题,提出了结合试验设计、响应曲面法、DFSS(Design for Six Sigma)理念的稳健优化设计新方法。首先在分析柔顺机构稳健特点与随机波动现象的基础上,依据工况对设计变量进行科学选择,采用中心组合试验设计方法选取试验组合;然后通过构建的有限元模型进行数值模拟,得到试验设计各组合的响应值,从而建立柔度响应面模型来进行稳健优化;最后以柔顺板为对象进行了6σ稳健优化设计实例分析。通过与传统确定性优化设计进行对比,表明该新方法不仅增强了柔顺板柔度稳健性而且提高了优化求解效率,为增强柔顺机构在高尖端领域的抗干扰能力提供了一种新的设计思路。     

二次因子分析的柔顺定位平台参数优化设计方法

针对3-RRR柔顺并联微动平台多响应优化设计中存在各种因子影响和交互影响导致各变量组合对目标函数的影响程度不易掌控,从统计学的角度引入一种提高该机构稳健性变量优化设计方法。首先建立微型定位平台运动模型,在该模型的基础上进行试验设计并且将数据进行KMO检验和Bartlett球形检验;分析后的结果处理掉一些权重不大的变量,得到的结果是可以进行因子分析,对所有组合进行打分,从而找出可行的变量优化设计方案。实例结果表明从统计学角度引入的因子分析法可以为微型机构多目标稳健参数优化设计提供一种新的解决方法。     

单自由度柔性微定位平台的设计与分析

针对微/纳精密操作定位精度要求,基于压电陶瓷驱动方法,设计了一类适用于面内精密定位工作的单自由度柔性微定位平台,采用单自由度柔性铰链实现机构的微/纳米级运动。通过构建柔性微定位平台的运动学模型得到了机构在铰链空间和笛卡尔空间中的位置映射关系,结合有限元仿真分析各位置柔性铰链的柔度特性对机构执行末端位移输出能力的影响,与位置理论计算结果比较说明其有效性。模态分析、驱动刚度分析为后续的动力学问题研究奠定了基础。     

三平移全柔性并联机构多目标拓扑优化设计

为满足精密定位和微纳制造领域对全柔性并联机构构型设计的需求,基于三平移并联机构原型,采用多目标拓扑优化理论,得到了一种结构配置较佳的新型全柔性并联机构。首先,基于单目标的柔度优化模型和固有频率优化模型,运用线性加权法建立了机构的多目标拓扑优化模型。然后,基于HyperWorks/OptiStruct软件和优化准则算法对机构进行拓扑优化设计,得到了拓扑优化后的新型全柔性并联机构。最后,通过HyperMesh软件对拓扑优化前后的机构进行静力学分析和模态分析,从而验证了多目标拓扑优化设计的有效性。     

基于压电陶瓷驱动的并联微动机器人静力学及其微动平台的静刚度分析

并联微动机器人通过弹性铰链的弹性变形实现终端平台的微运动,静力学和静刚度是微动机器人必须解决的问题。充分考虑弹性铰链的弹性反力/力矩,对6-PSS并联微动机器人进行静力学分析,建立了压电陶瓷驱动力与微动平台外载的关系模型,并定义了微动机器人的驱动刚度矩阵。基于并联微动机器人的特殊性,定义了微动平台的刚度,通过静刚度分析推导出了微动平台刚度矩阵,为并联微动机器人结构刚度设计、弹性铰链刚度综合和动力学分析提供了理论基础。     

平面三自由度柔顺机构构型设计与性能分析

采用并联原型机构微分雅克比矩阵与实体各向同性材料惩罚函数法(Solid isotropic material with penalization, SIMP)相结合的拓扑优化方法,以柔度最小和低阶模态频率最大为多设计目标,建立平面三自由度柔顺机构拓扑优化模型实现拓扑优化。以拓扑优化得到的模型边界为形状优化为设计变量,对拓扑优化模型应力与末端位移约束为优化目标进行二次优化。采用增材制造方法3D打印技术对平面三自由度柔顺机构拓扑构型进行加工,并采用雷尼绍双频激光干涉仪进行测量与数据采集。实验与有限元仿真对比结果表明:采用多目标拓扑优化和形状优化组合形成二次优化,运用二次优化方法设计得到的平面三自由度柔顺并联机构,在满足机构具有很好的整体刚度要求下,拥有很高的低阶模态频率实现振动拟制,而且能够实现微纳尺度位移运动特性。     

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.