大长径比柔性铰链微动平台设计及关键技术研究

发布时间：2020-05-25 22:56

【摘要】：与传统运动平台相比,微动平台具备构型灵活多变、可控性好、刚度大等特点,在精密定位领域发挥着重要作用。目前对微动平台的研究,大多以平面和直线驱动为主,这种结构的微动平台能够实现精度较高的定位,但运动范围十分有限,难以实现纳米级定位精度。鉴于此,本文提出了一种大长径比柔性铰链,旨在解决传统柔性铰链运动范围小、小变形情况下定位精度不高等局限,开展的研究概述如下:首先,提出了大长径比柔性微动平台的整体设计要求,并给出了平台的整体设计方案。结构上,平台的铰链和支链均采用柔性结构,驱动器选择高分辨率、高精度的压电陶瓷驱动器。平台的控制系统以STM32系列单片机作为主控模块,结合模糊自整定PID控制策略,通过姿态检测装置对平台进行闭环控制。然后在平台结构设计的基础上对平台整体结构和关键部件进行优化分析。对平台的柔性铰链结构形式进行设计,运用大长径比结构形式,针对柔性铰链低负载时形变小的缺陷,运用理论计算和Abaqus有限元分析相结合的方法,对大长径比柔性铰链进行尺寸优化。针对大长径比柔性铰链设计的微动平台进行自由度分析、转轴分析于位置反解等运动学分析,并通过数值搜索法验证设计的平台工作空间得到扩展。分析平台的静力学受力,由虚功原理建立力学模型得出驱动力与约束力和外载荷之间的做功平衡,对螺旋理论分析结果的正确性进行验证,得出平台的力平衡方程,并依据静刚度理论推导出微动平台整体的刚度方程,对平台施加不同方向上的力和力矩进行分析。通过模态分析,得出平台的六阶振型图,得知平台的固有频率范围,保证在外部激励下的稳定性。最后,针对压电陶瓷驱动器难以建立精确的数学模型的问题,基于模糊自整定PID控制算法,对微动平台实现运用控制,确保平台能够应对工作时非线性、多变量、时变性等复杂情况;并利用Simulink对控制系统进行建模和仿真分析,通过模糊理论修正系统参数,实现控制系统达到纳米级定位精度。
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH122

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