激光聚集小型三自由度并联机构分析及控制策略研究

发布时间：2017-09-13 01:30

  本文关键词：激光聚集小型三自由度并联机构分析及控制策略研究

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【摘要】：本文以863项目子课题“XX激光调焦XX”为背景,对用于激光调焦的次镜支撑机械系统——三自由度并联机构——的运动学、动力学及控制策略进行分析。首先,提出了用非压电陶瓷驱动的小型3-PRS结构的并联机器人来支撑次镜的方案,之后对该机构进行三维建模,以传统Z-X-Y欧拉角描述了该机动平台位姿,并利用该机构的闭环矢量式求解获得其运动学正反解方程及受限速度雅克比矩阵。利用多刚体动力学软件ADAMS,应用极限边界搜索算法对该机构的可达工作空间进行了定量分析。结合小型3-PRS机构的特征,定性分析了该机构在工作空间内的奇异性,并通过结构设计给出了消除奇异性的方法,从而为该机构的运动学设计奠定了良好的基础其次,对小型3-PRS机构进行了动力学建模。提出了一种简化假设方法——质量因子,即将连接杆的质量分布到杆的两端。通过在ADAMS中对虚拟模型的仿真和利用虚功原理建立的数学模型对比分析,得出了该结构连接杆的质量分布因子优化解。对丝杠系统及连杆进行了简单的刚度建模,在ADAMS中,对机构进行了固有频率的仿真分析。最后,在运动学分析及动力学分析的基础上,提出了PID控制、计算力/力矩控制及自适应控制方法,通过ADAMS/Control和MATLAB/Simulink联合仿真,对比分析了适合小型3-PRS机构的控制方法,并定量给出了机构的理论控制精度。最后,将该机构应用于实际光路系统,测量了两种控制方案下该机构控制的调焦次镜对聚焦光斑性能的影响。仿真结果充分证明了该机构完全满足支撑激光聚焦次镜结构的设计要求。
【关键词】：激光聚焦 3-PRS并联机构 运动学 动力学 控制策略 联合仿真
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH112
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 课题来源及研究意义12-14
• 1.2 并联机构概述14-17
• 1.3 三自由度并联机构的研究现状17-25
• 1.3.1 机械结构的设计18-21
• 1.3.2 运动学分析21-23
• 1.3.3 精度分析：机械误差分析23
• 1.3.4 动力学建模23-24
• 1.3.5 刚度和固有频率研究24
• 1.3.6 控制策略研究24-25
• 1.4 主要研究内容25-26
• 第2章 小型三自由度并联机构运动学分析26-42
• 2.1 小型 3-PRS机构描述26-34
• 2.1.1 伴生运动29-32
• 2.1.2 雅克比矩阵32-34
• 2.2 运动学正反解34-35
• 2.2.1 逆运动学分析34-35
• 2.2.2 正向运动学分析35
• 2.3 工作空间分析35-39
• 2.4 奇异性分析39-40
• 2.4.1 确定奇异位形类型39-40
• 2.4.2 结构设计消除奇异性40
• 2.5 本章小结40-42
• 第3章 小型三自由度并联机构动力学分析42-54
• 3.1 虚功原理42-43
• 3.2 动力学模型43-45
• 3.2.1 简化假设43
• 3.2.2 动力学建模43-45
• 3.3 动力学仿真45-52
• 3.3.1 简化假设的量化45-48
• 3.3.2 固有频率48-52
• 3.4 本章小结52-54
• 第4章 控制策略研究54-74
• 4.1 控制理论基本概念54-55
• 4.2 PID控制策略55-58
• 4.3 基于逆动力学模型的计算力/力矩控制策略(Computed force control,CFC)58-60
• 4.4 自适应控制系统（passivity-based control,PBC）60-63
• 4.5 联合仿真及结果讨论63-67
• 4.6 聚焦系统应用分析67-71
• 4.6.1 CTC控制方案下的激光聚焦性能67-69
• 4.6.2 PBC控制方案下的聚焦性能69-71
• 4.6.3 两种控制方案的对比71
• 4.7 本章小结71-74
• 第5章 总结与展望74-76
• 5.1 完成工作总结74-75
• 5.2 后续工作展望75-76
• 参考文献76-85
• 在学期间学术成果情况85-86
• 指导教师及作者简介86-87
• 致谢87-88

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本文编号：840721