基于压电陶瓷驱动的精密微定位平台设计与优化

发布时间：2020-07-24 16:02

【摘要】：微定位平台广泛应用于微机电系统、超精密加工、生物医学、航空航天等高尖端领域,设计具有工作空间大、定位精度高、结构紧凑、响应速度快的微定位平台具有重要的意义。针对微定位平台产生的寄生运动,本文设计了一种基于压电陶瓷驱动器驱动的一维精密微定位平台,采用二级柔顺杠杆放大机构进行位移放大,以直梁型柔性铰链作为导向机构。根据虚功原理对微定位平台进行理论分析,推导了微定位平台的放大倍数及刚度的计算公式;利用ANSYS Workbench对微定位平台进行了有限元分析,仿真了微定位平台的放大倍数、刚度、最大应力及模态,并搭建了实验测试系统对微定位平台的放大倍数进行了测试,实验及仿真结果表明:微定位平台的最大行程可以达到68.632μm,放大倍数可以达到2.02,直线度?在1.19%-1.32%内,表明直线度较好、响应速度快、定位精度高。由于一维平台由于工作空间小,应用范围受限。为了提高微定位工作空间,本文基于柔性杠杆放大原理,设计了一种新型的二维微定位平台。平台由3个旋转支链,1个直线支链及4个压电叠堆组成,可实现直线运动及旋转运动。为提高微定位平台的综合性能,提出一种基于响应面模型的性能综合优化设计方法。结合ANSYS仿真软件,分析微定位平台的结构参数与性能指标的相关性强弱,然后挑选出参数作为设计变量,建立微定位平台的二阶响应面模型。基于响应面模型进行遗传多目标优化,同时采用ANSYS对优化后的微定位平台进行性能仿真。仿真结果显示,优化后的二维微定位平台直线放大倍数提高了11.91%,旋转放大倍数提高了7.09%,固有频率提高了20.22%,最大应力减少了10.59%,并搭建了实验测试系统对二维微定位平台的放大倍数进行了测试,经实验及优化结果表明:优化值与实验值很接近,误差较小。说明该优化方法是可行的。为减少二维微定位平台产生的迟滞非线性误差影响,提高微定位平台的定位精度,本文提出一种改进式PID算法对微定位平台进行反馈控制。建立了微定位平台的动力学模型,采用改进式PID控制算法对动力学模型求解,最后,利用siumlink仿真并搭建实验测试系统进行了验证。经实验及仿真结果表明:微定位平台对5μm阶跃响应位移的响应时间为0.28s,且没有出现超调,定位误差在0.56-0.65μm范围内波动;通过改进式算法的PID算法可以有效的减少微定位平台的定位误差,具有较快的响应。系统整体性能得到明显提升。
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH703.8
【图文】：

伪刚体模型,自由端,悬臂梁,柔性杆

根据柔性铰链具有大变形的特点，可以用来传递机构间的力和运动，但对非线性理论建模仍具有很大的问题，所以，美国 Howell 和 Midha 教授提出了一种伪刚分析法，简化了柔性机构的力学分析的难点，使柔性铰链机构的理论分析提供具说服力。图 1.2 所示的是将伪刚体模型的理论通过自由端受力的悬臂梁去等效简根刚性杆件和一个扭转弹簧连接，并利用传统的刚性理论对悬臂梁末端轨迹系统，从而在某种程度上对其过程进行简化分析。性杆件末端受载荷情况有很多种情况，为扩大伪刚体模型的适用更大范围，美国ll 和 Midha 为了完善伪刚体模型的性能，分析了柔性杆件末端所受载荷的不同，了伪刚体模型三种不同的受载荷情形：(1) 柔性杆件末端受到同向的力和弯矩载荷；(2) 柔性杆件末端受到反向的力和弯矩载荷且无拐点载荷；(3) 柔性杆件末端受到反向的拐点力和拐点弯矩载荷。最后简化了柔顺机构的运型。对于在初始位置就产生弯曲大形变的柔顺杆件，便可将其等效成具有三根刚的扭转弹簧连接，并建立它的伪刚体模型。Edwards 等也根据该模型用实验的方了它的正确性和有效性。

微定位,平台

图 2.1 微定位平台理论分析刚度分析导轨和滚珠丝杠结构复杂之间都存在机械摩擦，故不适，柔性较链机构的主要优点包括：结构紧凑、分辨率高敏度高、易于加工等，并广泛应用于微定位平台的设计其中比较常见几种类型包括直圆型、直梁型、椭圆形、以及其他非对称式较链。本章重点对直圆型柔性铰链的多数的关于柔性铰链刚度理论的研究停滞在对单轴柔性铰链理论分析建模的主要研究方法有：弹性梁理论、卡有限元分析方法等，在工程实践中经常采用数值积分法

几何结构图,圆型,几何结构,柔性

图 2.2 直圆型柔性较链几何结构于柔性铰链的中间部分尺寸较小，结构较为脆弱，容易在受力矩的作用下变形。为了方便对柔性铰链分析，选取在圆心角处取微元对其进行受力微元体示意图见图 2.3 所示。

【参考文献】