基于多种线型波纹单元的两自由度精密定位平台的研究与分析

发布时间：2020-10-21 19:13

　　 精密定位技术在微纳操作、精密制造、精密测量等领域应用广泛,一直是国际上的研究热点之一。在这一背景下,本论文对基于波纹簧片型柔性单元(简称波纹单元)的平动铰链进行刚度建模,并对其行程和离轴刚度比进行优化分析,在此基础上构建了基于不同线型波纹单元的两自由度精密定位平台,通过仿真获得其动静态特性,并通过相应的实验对其进行了相关的研究。首先,利用刚度矩阵法建立了所设计的基于半圆型波纹单元的平动铰链(简称半圆型平动铰链)的刚度模型,重点介绍了利用莫尔积分法求解半圆形梁段的过程。通过有限元仿真对所建立的刚度模型进行验证并对其误差进行分析。利用控制变量法分析波纹单元各几何参数与其平面刚度和离轴刚度比之间的几何关系,并结合有限元仿真对其进行优化设计,在保留波纹单元大变形的特点的同时解决了其一直被诟病的离轴刚度比过低的问题。其次,通过引入圆锥曲线形和贝塞尔曲线形梁段构造出基于不同线型波纹单元的平动铰链(简称不同线型波纹单元),利用刚度矩阵法分别建立其刚度模型,并采用数值积分解决了积分求解过程中由于被积项包含第一类完全椭圆积分而无法求解的问题。以双椭圆线型平动铰链为例研究了变厚度型平动铰链。结合有限元法分别对不同线型平动铰链的刚度模型进行验证并得到不同线型波纹单元的最优形状参数。然后,以不同线型平动铰链为基础构造基于不同线型波纹单元的两自由度精密定位平台(简称不同线型平台)。利用有限元仿真得到不同线型精密定位平台的静态和模态特性,并引入缺口型和直片型精密定位平台作比较,突出不同线型平台大变形的特点。利用慢走丝线切割技术加工出不同类型平台,并利用显微视觉成像技术对其加工精度进行检测。选用音圈电机作驱动并设计和选用相应的硬件设备搭建两自由度精密定位系统,通过实验测试不同类型精密定位平台的静态性能,包括行程、耦合位移、重复定位精度等。通过对比,突出了基于不同线型波纹单元的两自由度精密定位平台行程大、重复定位精度高的特点。最后,总结了本文的研究内容并对未来研究工作提出展望。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH703
【部分图文】：

由于柔顺机构避免了刚性机构中的铰链间隙，结构相对紧凑，使得柔顺机构易于实??现小型化和轻量化的要求，并且能够获得更高的精度，囡而广泛应用于各种精密定位、??微纳操作及微机电系统（ＭＥＭＳ）中。图１－１所示即为利甩柔顺机构所设计的甩于原子力??显微镜（Ａｔｏｍｉｃ?Ｆｏｒｃｅ?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，?ＡＦＭ）中实现微纳操作的微■夹钳［８］．〇??图１－１用于原子力显微镜中实现微纳操作的微夹钳??为了适应不同的应用场暈与使用需求，国内外学者提出了多种不同结构和性能的??１??

??柔性铰链。其中最常见的是缺Ｕ型和直片型柔性铰链，如图１－２所示。１９６５年ＰａｒｏｓＭ??最早设计出了圆弧形柔性铰链并给出了其统一的受力变形方程，即柔性铰链的刚度??方程，因而极大地简化了柔顺机构的建模与分析过程，为柔顺机构的发展奠定了初步??的理论基础。吴鹰飞等［１Ｑ＇Ｕ］利用基本的力学公式和微积分原理，详细推导出了直圆??型柔性铰链的刚度计算公式。相比于Ｐａｒｏｓ所给出的简化计算公式，该公式在表达上??更加简洁、全面，同时结果也更加精确，从而进一步完善了柔性铰链的设计分析理??论。Ｓｍｉｔｈ［１２，１３］设计出了椭圆型柔性铰链并推导出其受力变形方程＾相比于芷圆型柔性??铰链，椭圆型柔性铰链能够获得更大的位移输出，因而能够应用于更太变形的场合＾??Ｌｏｂｏｎｔｉｕ［１４－１６］推导出了直圆倒角型柔性较链（ｒｉｇｈｔ?ｃｉｒｃｕｌａｒ?ｃｏｍｅｒ－ｆｉｌｌｅｔｅｄ?ｆｌｅｘｕｒｅ?ｈｉｎｇｅｓ）??柔度方程

具有较小中心位移的轴心，进而构造出一种具有大运动范围和小寄生运动的广义交叉??簧片型柔性铰链［２４］。此外，通过将两个相同的交叉簧片型柔性较链的固定端固接在一??起而构建了一种复合广义交叉簧片型柔性铰链（图１－３?（ｃ））。该复合交叉簧片型柔性铰??链旋转范围增加了一倍，而中心偏移相互补偿，从而增强了该种柔性铰链的性能。如??图１－３?（ｄ）所示的蝶型柔性铰链（Ｂｕｔｔｅｒｆｌｙ?ｆｌｅｘｕｒａｌ?ｐｉｖｏｔ）可以看做由四个三角形柔性铰链??作为柔性部位的组合叠加，该种铰链由于高精度和大行程的特性而被广泛应用［２５］。在??其他条件都相同且不考虑装配误差的条件下，对比复合广义交叉簧片型柔性铰链和蝶??型柔性铰链可以发现，复合广义交叉簧片型柔性铰链在补偿中心偏移方面有较大的优??势，且当旋转角度增大时，这种优势更加明显。在传统的交叉簧片型柔性铰链的基础??上，Ｈａ?Ｃｈｅｏｌ?Ｗｏｏ＿通过引入螺旋纽带（Ｈｅｌｉｃａｌ?ｌｉｎｋ）而设计了一种新型的螺旋增强交??叉簧片型柔性铰链（Ｈｅｌｉｘ－ａｕｇｍｅｎｔｅｄ?Ｃｒｏｓｓ－ｓｐｒｉｎｇ）（图１－４），进而增大了交叉賛片型柔??性铰链的弯曲角度范围。同时
【参考文献】

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本文编号：2850494