基于响应面法的微操作平台设计与性能综合

发布时间：2017-10-28 03:26

  本文关键词：基于响应面法的微操作平台设计与性能综合

  更多相关文章： 微操作平台 响应面法 多目标优化 可靠性稳健 解耦性

【摘要】：微操作平台广泛应用于生物工程、医疗科学、微机械制造、航空航天等前沿领域,设计具有操作空间大、响应速度快、运动精度高、稳健的微操作平台具有重要的理论和实际意义。如何建立精确反映微操作平台性能的模型及性能综合是微操作平台研究面临的关键问题。本文基于试验设计和响应面法对1维和3维微操作平台进行设计和性能综合,主要内容如下:根据差动式杠杠放大原理设计一种新型的对称式微操作平台,平台具有结构紧凑、放大倍数大、固有频率和运动精度高等特点。提出了一种基于试验设计方法的微操作平台设计思路,首先,采用拉丁超立方抽样技术对平台的位移放大倍数、固有频率和运动精度与结构参数之间的相关性进行分析,分别得出对性能指标影响较大的结构参数;然后,利用中心组合试验设计和响应曲面法建立能准确反映各性能指标和相应的结构参数之间关系的模型;最后,分别以各性能指标为目标,逐步确定平台的结构尺寸参数。采用有限元方法验证了所提出的设计思路是行之有效的。提出一种基于响应面法的多目标优化设计方法。首先,采用筛选实验设计方法确定设计变量。然后,采用中心组合试验设计方法得到仿真试验数据,建立反映平台性能指标的二阶多项式响应面模型,并通过评价指标2R和2adjR说明了所建立的响应面模型的高拟合度和准确性,为平台的多目标优化提供了精确的理论模型。最后,以平台的位移放大倍数和固有频率为目标、强度为约束,采用多目标遗传算法对其进行多目标优化。优化结果表明了该方法是有效的。考虑微操作平台结构参数的随机波动,提出一种基于6σ稳健设计思想和响应面法的可靠性稳健优化设计思路。以平台位移放大倍数、固有频率和可靠度灵敏度的稳健性作为目标,以平台可靠度作为约束,对微操作平台进行优化。将稳健优化结果和确定性优化结果进行比较分析可知,相对于确定性优化,可靠稳健优化的平台位移放大倍数和固有频率的方差减小但均值有所变差,同时可靠度由确定性优化的58.36%提高到1,实现了平台可靠性稳健优化的设计要求。将1维微操作平台分别与Pr平行四杆机构和Ps导向机构相结合,设计能实现3自由度空间平移的3-PPr和3-PPs空间微操作平台,平台具有结构紧凑、操作空间大和解耦性好的优点。提出了一种反映耦合性的指标,基于响应面法,以平台解耦性为目标,采用序列二次规划法对两种微操作平台进行优化,优化结果表明所设计两种平台具有良好的解耦性。对所设计的3-PPr和3-PPs微操作平台的静动态性能进行比较分析可知,3-PPs微操作平台的柔度、解耦性、位移灵敏度等性能优于3-PPr平台,但是,3-PPr平台具有更大的操作空间和固有频率。
【关键词】：微操作平台 响应面法 多目标优化 可靠性稳健 解耦性
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH122
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 研究的背景及意义9-10
• 1.2 微操作平台的研究现状10-17
• 1.2.1 微操作平台结构设计10-13
• 1.2.2 微操作平台性能分析13-16
• 1.2.3 微操作平台性能综合16-17
• 1.3 主要研究内容17-19
• 第二章 基于响应面法的一种新型微操作平台的设计19-34
• 2.1 引言19-20
• 2.2 微操作平台结构设计20-23
• 2.2.1 平台的设计原理20-21
• 2.2.2 平台的结构设计21-22
• 2.2.3 平台材料的选择22-23
• 2.3 微操作平台参数设计23-33
• 2.3.1 参数对性能指标影响分析23-25
• 2.3.2 响应面模型的建立25-27
• 2.3.3 结构尺寸参数的确定27-33
• 2.4 结论33-34
• 第三章 微操作平台的静动态性能多目标优化34-46
• 3.1 引言34
• 3.2 基于响应面法的优化流程34-35
• 3.3 优化设计变量的选择35-38
• 3.4 建立响应面模型38-41
• 3.5 灵敏度分析41-43
• 3.6 基于遗传算法的多目标优化43-45
• 3.7 结论45-46
• 第四章 微操作平台的可靠性稳健优化设计46-58
• 4.1 引言46
• 4.2 可靠性稳健优化流程46-47
• 4.3 随机波动参数的确定47-48
• 4.4 建立稳健优化模型48-55
• 4.4.1 平台可靠度48-50
• 4.4.2 平台可靠度灵敏度模型及其均值方差50-51
• 4.4.3 平台性能指标均值及方差51-52
• 4.4.4 稳健优化模型52-55
• 4.5 平台实物55-57
• 4.6 结论57-58
• 第五章 具有解耦性能的3维平动微操作平台设计58-72
• 5.1 引言58
• 5.2 两种新型空间微操作平台的结构58-60
• 5.3 两种微操作平台的性能优化60-67
• 5.3.1 平台优化目标的确定60-65
• 5.3.2 微操作平台的优化65-67
• 5.4 两种空间微操作平台性能分析对比67-71
• 5.4.1 柔度分析67-68
• 5.4.2 运动学分析68
• 5.4.3 灵敏度分析68-70
• 5.4.4 应力分析70-71
• 5.4.5 动态特性分析71
• 5.5 结论71-72
• 第六章 总结与展望72-74
• 参考文献74-78
• 致谢78-79
• 攻读学位期间的研究成果79-80

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