基于变厚度交叉簧片柔性铰链的3-PRR柔性并联平台力柔顺控制研究

发布时间：2020-09-18 15:31

　　柔性并联平台结合了柔性铰链和并联平台的优点,广泛应用于精密工程中。但该平台中的柔性铰链一般运动范围较小并存在寄生运动,这限制了柔性并联平台的运动空间和精度的进一步提高。针对这一弊端,本文在分析传统交叉簧片柔性铰链变形特性的基础上,研究了一种具有大行程和低轴漂的变厚度交叉簧片柔性铰链,并将其应用到3-PRR并联平台上,然后针对3-PRR柔性并联平台进行力柔顺控制研究。本文首先设计了变厚度交叉簧片柔性铰链,通过有限元仿真分析了簧片的变截面系数与柔性铰链的旋转角度之间的关系,进而选择了合适的变截面系数。基于改进的Awart约束梁模型推导了变厚度簧片的载荷-位移关系,进一步建立了变厚度交叉簧片柔性铰链的力学模型,并将其结果与有限元仿真进行对比,验证本文建立的变厚度交叉簧片柔性铰链变形模型的正确性。然后将柔性铰链和3-PRR平面并联平台结合,设计了3-PRR柔性并联平台。分别通过闭环矢量法求解刚性平台的逆运动学,通过将铰链的变形方程、柔性并联平台的位移协调方程和静力平衡方程联立求解柔性并联平台的运动学模型。将刚性和柔性并联平台的运动学模型通过有限元仿真进行对比,验证了柔性并联平台运动学建模的准确性和必要性。但由于柔性平台的运动学模型求解复杂、运算速度较慢,故采用BP神经网络来求解柔性并联平台的运动学。借助激光位移传感器完成了位置控制实验,验证了位置控制的精度。最后,针对3-PRR柔性并联平台的力柔顺控制问题,首先研究了经典的基于位置的阻抗控制,设计并搭建仿真平台,通过仿真分析了阻抗参数对控制性能的影响。然后通过分析阻抗控制的稳态误差,发现了阻抗控制的局限性,通过李雅普诺夫稳定理论设计了自适应阻抗控制器,并对不同的情况进行了仿真分析。利用安装在动平台上的力传感器作为力反馈元件进行力柔顺控制实验,验证了力柔顺控制策略的正确性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH112
【部分图文】：

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图 1-4 3-DOF 微动柔性并联平台的 Campa 等[20]提出了一种 3-PRS 柔由度，分别是在 Z 方向上实现±2m两个转动。根据应用要求分别设计了代法设计了整个平台。为将整体刚度供了指导。该平台用于微透镜模具铣5b) 所示，XY 平台在 X 和 Y 中执行构中的寄生运动。

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图 1-4 3-DOF 微动柔性并联平台西班牙巴斯克大学的 Campa 等[20]提出了一种 3-PRS 柔性并联机构，如图 1-5所示。该机构有三个自由度，分别是在 Z 方向上实现±2mm 的移动以及围绕 X 轴和 Y 轴实现±0.2o的两个转动。根据应用要求分别设计了柔性旋转铰链和柔性球铰，然后基于有限元迭代法设计了整个平台。为将整体刚度、位移和应力与柔性铰链的几何参数相关联提供了指导。该平台用于微透镜模具铣削的 5 自由度混合铣床，混合平台如图 1-5b) 所示，XY 平台在 X 和 Y 中执行大行程运动，并可以补偿 3-PRS 柔性并联机构中的寄生运动。

并联机构,柔性

a) 6-DOF 柔性并联机构实物图 b) 柔性运动支链图 1-6 6-DOF 柔性并联机构1.2.1.2 国内研究现状中国科学院的杨桂林等[22]成功开发了一个 3-DOF 柔性并联平台，其中移动平台通过三个支链连接到基座，如图 1-7 所示。首先选取了 3-PPS 构型，为了获得大的工作空间，在设计中采用了基于梁的挠性万向节，由于基于梁的挠性万向节能够适应微小的移动和偏转，将结构修改为 3PU 构型，它可以在 5°×5°×5mm 的工作空间内分别达到20nm和0.05rad的位置和方向分辨率，该平台目前用于纳米压印中。

【参考文献】