具有变刚度特性的微操作平台设计

发布时间：2020-07-28 17:14

【摘要】：微操作平台在生物工程、微机械制造、航空航天等领域具有广阔的应用。随着科技的发展,对微操作平台提出了新的性能要求。在某些应用领域,要求平台具有多行程、多分变率的性能。为了平台满足多行程、多分辨率的要求,本文提出了三种变刚度平台设计思路,主要内容如下:为了满足微操作平台结构紧凑、大运动行程、高固有频率、运动解耦和高运动精度的要求,设计了一种以杠杆柔性机构进行位移放大,以双复合平行四杆柔性机构为导向机构的新型二维微操作平台。采用伪刚体法和虚功原理建立反映平台静刚度、位移放大率和固有频率的力学模型。制作样机并搭建了实验测试系统对平台性能进行测试,实验结果表明,平台位移放大率可达4.5倍,刚度为5.79 N/μm,固有频率为580 Hz,反映平台沿x和y方向的耦合度的指标分别1.3‰和1.2‰,沿x和y轴方向的重复定位精度分别为0.68μm和0.72μm。所以,所设计的平台实现了设计目标。针对目前微操作平台位移传感的集成问题,提出了将电阻式应变片集成于微操作平台结构实现结构-传感一体化设计。以驱动方向应变传感单元的应变最大、耦合方向应变单元的应变最小为优化目标,对应变传感单元尺寸进行优化设计。采用最小二乘法标定微操作平台输出位移与位移传感单元应变之间的关系。拟合结果得出微操作平台的输出位移与应变单元的应变关系为一阶多项式,通过该关系式可实现对微操作平台位移的检测,所提出的思路为微操作平台集成位移的设计提供一种新思路。为了设计多级可变刚度微操作平台,提出了一种串联式变刚度平台设计思路。通过刚性构件和柔性构件交互串联的方式构成变刚度微操作平台,当平台运动某一行程后,刚性构件之间相互接触,使其连接于两刚性构件之间的柔性构件失去作用,串联的柔性构件减少,平台的刚度增加,则达到了变刚度效果。基于该思路推导出一般情况下串联式多级可变刚度平台各柔性构件的刚度、各刚性构件之间的间隙应满足的条件,得出了多级串联式变刚度平台的设计原理。推导出了平台刚度与各柔性构件刚度之间的关系、各级行程与各柔性构件刚度和间隙之间的关系,为设计多级串联式变刚度微操作平台提供了理论基础。根据变刚度原理,设计了二级变刚度和三级变刚度微操作平台,制作样机进行实验验证分析,实验结果说明所设计平台的可行性。为了设计多级可变刚度微操作平台,提出了两种并联式变刚度设计思路。平台的设计思路为当微操作平台运动某一行程后,刚性构件之间相互接触,使其连接于刚性构件的柔性构件同时起作用,并联的柔性构件增加,平台的刚度增加,则达到了变刚度效果。基于该思路推导出一般情况下并联式多级可变刚度微操作平台刚度与各柔性构件的刚度之间的关系、微操作平台各级行程与间隙之间的关系,得出了并联式多级变刚度平台的设计原理,为设计多级变刚度微操作平台提供了理论基础。根据变刚度原理,设计了二级变刚度和三级变刚度微操作平台,制作样机进行实验验证分析,实验结果说明所设计平台的可行性。为了满足多维微操作平台变刚度、行程大、运动解耦的设计要求,基于纵向并联式变刚度设计原理,设计了一种以复合导向梁为导向机构的新型二维变刚度微操作平台。建立复合导向梁的力学模型,基于该模型推导出微操作平台各级刚度。加工平台样机,对微操作平台的刚度特性和解耦性进行实验测试,实验结果表明二维平台可以实现变刚度的设计需求且具有良好的解耦性能。
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH122
【图文】：

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第一章绪论2 国内外研究现状2.1 微操作平台的设计微操作平台应用最早是在生物工程，主要是为了完成对细胞的操作，随着科技以及对柔顺机构研究的深入，柔顺机构在微操作平台设计中的运用越来越多[22-23年，国内外学者对微操作平台进行了较多的研究，也取得了许多研究成果，下面度分类介绍一下比较具有代表性的微操作平台的结构设计。单自由度微操作平台

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图 1-3 陈伟海设计的 2 自由度微操作平台大卫设计的二自由度微操作平台图 1-5 Yangmin Li 津理工大学的田延岭和张大卫等[27]人采用串联结构示，该平台采用压电陶瓷驱动，其材料采用 65 Mn保证运动精度。所设计的平台外形尺寸为300 mm ，该机构的优点为定位精度高，解耦性好，缺点是

【参考文献】