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.     

整体式空间3自由度精密定位平台的优化设计与试验

根据柔顺薄板的弹性变形原理,设计一种整体式空间三自由度柔顺并联微动平台.分析该平台的输入耦合特性,对三种输入耦合形式对定位精度的影响进行讨论.基于有限元法,给出平台的刚度模型,对平台的结构尺寸进行优化设计,并通过ANSYS仿真分析验证优化结果的正确性.在此基础上进一步建立平台的位置正解和位置逆解方程,对平台的定位精度进行试验研究,提出一种基于理论分析模型的试验修正方法,该方法能有效提高平台的定位精度,研究表明该平台具有亚微米级的定位精度.     

低成本柔顺板式精密定位平台的理论与试验

基于柔顺薄板的弹性变形原理,提出一种低成本、整体式柔顺精密定位平台的设计方法。设计一种平板弹簧机构,使平台能够在较低精度驱动器的驱动下获得高精度的位移输出,从而大幅度降低精密定位平台的成本。建立平台的刚度模型,分析驱动器的精度与平台的定位精度之间的相互关系。最后,分析加工误差对平台定位精度的影响,得出影响定位精度的关键结构参数。通过试验测试,得出驱动器的输入位移和精度分别为4 mm和10m,平台的输出位移和精度分别为9 m和40 nm,线性度为0.33,从而验证了该设计方法的正确性。该平台结构紧凑,成本低,具有很好的性价比,应用前景广阔。     

一维精密转动定位平台的分析与设计

基于柔顺机构设计了一种新型的一维精密转动定位平台.首先建立了平台的数学分析模型,在此基础上,通过优化设计得到了平台的最优尺寸.利用有限元软件验证了理论建模和优化结果的正确性.制造了原型样机,进行了实验研究,对平台进行了标定,并分析了平台的定位误差.     

精密直线定位平台

进入21世纪以来，直线运动部件已经逐渐向复合化、轻量化与模块化发展，而精密直线定位平台正是这种发展趋势的代表。目前此类直线定位平台在多个领域已经有较广泛的应用，并由此类平台衍生出多种传动组合单元，使系统配置更加简单快捷。本文主要介绍有代表性的LS系列直线定位平台，如图1所示。     

平面三维精密定位平台设计与研究

设计了一种能在单一平面内实现平面X、Y和转角θ方向调整和定位的平面三维精密定位平台,该平面三维精密定位平台采用伺服电机作为驱动源,四套十字交叉导轨作为关键执行机构的结构形式,在研究了其在平面内运动的数学模型和运动轨迹基础上,设计了利用组态网开发的PC控制系统,实现了平面三维精密定位平台姿态的实时检测和快速精确定位.     

柔顺精密定位与操作机构研究进展

柔顺机构是一种利用柔顺元件的弹性变形来传递或转换运动、力或能量的新型机构。与传统的刚性机构相比,柔顺机构具有高精度、无间隙、无摩擦磨损、免装配及易于小型化等特点,是机构学研究领域的一个重要分支。以精密定位和精密操作两类代表性的柔顺机构为研究对象,从分析与设计、传感与控制等方面介绍了该领域国内外的研究现状、存在的主要问题和发展趋势。     

六自由度柔性精密传动与定位平台的静态特性分析

基于柔顺机构学、机械原理和空间机构学,设计了由压电陶瓷驱动器驱动的六自由度柔性精密定位平台。利用伪刚体法和虚功原理对平台进行静力学分析,得到了沿X、Y、Z轴移动,绕X、Y轴摆动和绕Z轴转动6个自由度的静态刚度及运动特性,利用APDL对定位平台的结构进行优化,得到了平台6个方向运动的最大行程。对定位平台进行有限元仿真,并通过搭建的实验平台进行测试,将实验结果与理论结果和仿真结果进行对比分析,验证了理论模型的正确性及平台结构的合理性。     

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。     

二维高带宽低耦合纳米定位平台设计与实验

纳米尺度研究的发展对原子力显微镜的核心运动部件——纳米定位平台的定位精度与扫描速度提出了更高要求。针对平台运动耦合与谐振频率两项关键性能展开研究,设计了一种新型基于压电陶瓷驱动的二维高带宽低耦合纳米定位平台。结构设计上,首先提出高刚度并联解耦结构,然后基于内外侧柔性铰链刚度解耦假设,确立了高刚度低耦合设计方案。为进一步提升平台谐振频率,建立尺寸参数优化模型,以平台一阶谐振频率为优化目标进行优化设计。优化结果与有限元仿真结果误差小于6%,验证了设计方法的准确性。最后,加工样机并搭建实验系统。性能实验结果证明本文设计平台达到高带宽低耦合设计目标。平台性能与同类型现有平台相比,谐振频率提升20%,静态耦合降低80%,动态耦合降低30%,有助于原子力显微镜性能提升。     

3-RRR刚柔并联定位平台优化设计及控制实验

设计了3-RRR刚柔并联定位平台,并对平台进行结构优化设计及运动学反解。通过有限元分析,以应力承载能力为指标,确定柔性连杆铰接头形式;以避开电机运行频率、避免共振为优化目标,对杆件尺寸进行优化,确定杆件的最优尺寸参数。最后根据设计方案,加工出实物定位平台,基于LabVIEW建立控制系统,对所设计的并联定位平台进行实验研究。结果表明,所设计的并联平台结构合理,运行过程中振动小,能够达到期望的精度,为后续的精确动力学分析提供了基础。     

菱形压电电机在并联精密定位平台中的应用

为了解决传统压电陶瓷驱动器固有的高精度与大行程的矛盾,提出了利用非共振式压电电机的两种不同运动模式来实现精密定位平台的定位高精度与工作大行程的方案。设计了一种新型菱形压电电机,分析其工作原理,给出了定子结构及夹持预紧结构的设计方案。菱形压电电机的实验结果表明,其步进作动模式下定位分辨率为1.0μm,连续运动模式下最大空载速度为0.932mm/s。在此基础上,利用3台菱形压电电机同步驱动并联精密定位平台,实验结果表明,并联平台平动定位分辨率为1.0μm,转动定位分辨率分别为8.6,11和10μrad。实验重复进行10次,动平台定位分辨率的波动率均低于5%,表明了该并联平台具有良好的同步性与重复性。另一方面,利用菱形压电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3.54 mm,转动工作行程分别为3.92°,4.16°和4.05°。借助于菱形压电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,为进一步研究精密定位平台的动态性能、控制规律提供了理论价值和实践基础。     

超精密气浮定位平台动力学特性分析

设计了一种超精密气浮定位平台,并运用Ansys对导轨和滑台分别作了有限元模态分析,校核了其动态刚度。在此基础上,分析了导轨的厚度对导轨刚度的影响以及滑台顶板厚度对滑台刚度的影响,为结构的优化设计提供了参考依据。分析结果显示,定位平台的刚度满足设计要求。     

一种3自由度精密微定位平台的设计与分析

高精度的微定位平台是精密定位技术研究的重要内容之一。采用柔顺机构作为微定位机构及压电陶瓷作为驱动器,设计了一种3自由度精密微定位平台。首先,对设计的微定位平台进行了理论分析,得出了该平台的理论输入与输出关系,同时确定了其行程范围。然后,采用ANSYS有限元方法对该平台在给定输入情况下的变形进行了分析,并对其输出位移进行了仿真。分析结果表明,设计的3自由度微定位平台理论分析结果和仿真分析结果基本吻合。最后,根据分析结果,制作了微定位平台样机。这种高精度的微定位平台在精密定位领域有着广泛的应用前景。     

杆式旋转超声电机在精密定位平台上的应用

介绍了一款杆式旋转超声电机,它由一个定子和两个转子构成,利用两个一阶弯曲振动模态工作。将该电机应用于驱动精密定位平台,并构建了基于计算机与GO-400运动控制器的精密定位平台控制系统。对于杆式超声电机,当利用专用驱动器供电,驱动器的输入电压为直流15V时,电机的空载转速为206r/min,堵转力矩为0.273N.m。对于精密定位平台,通过对电机进行正/反转控制、速度PID控制,实现平台的精密定位,定位精度达到2μm。进行了平台步进试验,其正/反向的位移分辨力都为1μm。利用旋转超声电机作精密定位系统的致动器时,可以采用旋转型光电编码器代替昂贵的直线型编码器,从而大大降低整个精密定位系统的价格。     

整体式平面两自由度全柔顺并联机构构型拓扑优化设计

基于平面两自由度并联机构微分运动学矢量连续映射关系,建立整体式平面两自由度全柔顺并联机构构型拓扑优化模型-各向同性材料插值模型(SIMP模型),运用优化准则(OC)算法对所建模型进行求解,并采用Heaviside过滤技术处理优化过程中棋盘格和网格依赖问题。基于曲线拟合方法对优化后整体构型轮廓进行拟合,在Solid Works软件中建立其三维模型,进而应用有限元软件对其进行静力学仿真分析与对比。结果表明:以微分运动学矢量连续映射关系为拓扑优化设计条件,所得出的平面两自由度全柔顺并联机构与传统同构型并联机构具有相同的微分运动特性。     

动平台惯性参数对柔性并联机构动力学特性的影响及优化设计

利用柔性并联机构的动力学模型,定性地分析了动平台质量、转动惯量对柔性并联机构的动态响应、动态应力及固有频率的影响。以动平台惯性参数边界条件、运动误差、固有频率、动态应力、驱动力矩等限制条件作为约束方程,将机构总质量函数和弹性变形能函数采用线性加权组合成多目标函数,进行多目标优化设计,确定了动平台的最佳惯性参数。通过对平面3- R RR柔性并联机构算例的分析和讨论,说明了动平台惯性参数在柔性并联机构的动力学分析和设计中的重要作用。     

X-Y精密定位平台的敏感函数逆前馈补偿控制

针对音圈电机驱动的X-Y定位平台中稳态误差导致的系统定位精度较低的问题,提出了基于敏感函数逆的前馈补偿控制方法。首先,采用频域辨识方法建立了系统模型,基于终值定理推导出系统扰动和稳态误差的关系,并由此设计了敏感函数的逆模型来补偿扰动对稳态误差的影响,从而提高系统精密定位性能。最后,在搭建的音圈电机驱动X-Y定位平台上进行了不同运动行程的实验研究。实验结果表明:在行程为10μm,最大加速度为6mm/s2的微定位运动条件下,补偿后的定位误差可由2μm降低到0.2μm;在行程为10mm,最大加速度为6m/s2的宏定位运动条件下,定位误差可由2μm降低到0.4μm。实验结果验证了本方法的有效性,为后续高精密伺服系统的研制提供了重要参考和设计依据。     

利用补偿提高精密定位平台的定位精度

系统误差在较大程度上影响精密定位平台的定位精度,必须采取适当措施进行消除。反相补偿法可以大幅度消除系统误差的影响,是一种易行有效、花费较少的补偿手段。运用反相补偿法原理,从误差曲线中分离出系统误差并与其反相曲线叠加以消除系统误差的影响。给出了对精密定位平台宏动工作台和微动工作台进行补偿的具体实例,补偿后定位精度分别从17.4μm提高到1.3μm和从137.6 nm提高到22.2nm。理论分析和实验结果都表明,反相补偿法对于降低系统误差十分有效,但对于随机误差效果不佳。