三自由度微角位移系统设计与实现

发布时间：2020-07-13 17:18

【摘要】：近几十年来,越来越多的国内外科研机构和企业的学者开始重视微纳定位技术的研究。在微纳定位系统中,微角位移平台主要用于产生微角位移,在遥感卫星、精密加工、生物医学等领域有着广泛的应用。随着角位移平台的应用领域不断扩展以及精度要求不断提高,微角位移平台正朝着高分辨力、大工作行程、三自由度且结构紧凑的研究方向发展。而结合国内外现有的研究设计可以发现,在其他限制条件保持不变的情况下,大行程与高分辨力相互制约,现有的角位移平台很难做到两者兼顾;对于三自由度微角位移平台,其功能通常通过子平台堆叠的形式实现,子平台数目会随着微角位移平台自由度的增加而增加,从而导致角位移平台整体结构复杂;因此微角位移平台的结构复杂程度与多自由度两者之间也很难达到平衡。同时,由于三个自由度方向的角位移实现方式存在差异,导致各自由度的角位移分辨力很难达到同一量级,从而导致系统整体的性能指标下降。本课题“三自由度微角位移系统设计与实现”针对三自由度微角位移平台的分辨力与工作行程、整体尺寸与运动自由度数量相互制约,各自由度输出角度分辨力不在同一量级的问题展开研究,设计了一种三自由度分辨力为0.01″、工作行程至少为0～75″、响应频率达100Hz以上、体积尺寸小于100mm×100mm×100mm的三自由度微角位移平台。论文主要研究内容如下:首先,分析了微角位移平台国内外研究现状,设计了微角位移平台的整体结构方案。对目前微角位移平台设计方案进行了研究和分析,针对现有微角位移平台中很难同时兼顾高分辨力和大行程、平台整体尺寸和自由度数目相互制约的问题,设计了一种以压电陶瓷驱动,以柔性铰链为传动机构的三自由度微角位移平台。使所设计的微角位移平台在结构紧凑的前提下能够兼顾输出角位移的工作行程和分辨力。其次,对微角位移平台的柔性机构进行了合理设计。设计了一种采用一维角位移子平台与二维角位移子平台串联形式的微角位移平台,并设计了压电陶瓷预紧结构。基于压电陶瓷特性和平台设计需求选择了微角位移平台中柔性连接机构,并对其进行了刚度分析,得出柔性铰链结构参数与性能参数之间的关系。再次,对微角位移平台进行了理论分析及有限元仿真。通过分析得到了微角位移平台的理论模型,进而推导出微角位移平台运动自由度刚度和整体固有频率的公式并进行计算。并利用ANSYS有限元分析软件验证理论计算结果的正确性,最终确定了微角位移平台的尺寸参数。最后,对微角位移平台进行了实验验证和数据分析。加工并装配所设计的微角位移平台,搭建实验系统并对微角位移平台的角位移行程、角位移分辨力以及动态特性等进行测试,同时对理论和仿真结果进行验证,对比实验结果与理论计算和仿真结果的差异,分析实验结果存在偏差的原因,以保证微角位移平台性能满足所设计的性能要求。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH122
【图文】：

远红外探测器,定位平台,角位移

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