平面三自由度柔顺微定位平台结构与设计研究

发布时间：2017-05-06 07:44

  本文关键词：平面三自由度柔顺微定位平台结构与设计研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,随着半导体集成技术、生物工程、计量科学技术、纳米科学与技术等的不断发展,系统和设备对精密定位技术的要求越来越高。本文在对现有柔顺微定位平台关键机构分析的基础上,创新设计出了一种平面三自由度柔顺微定位平台,该平台采用了不同类型的柔性运动副,以压电陶瓷为驱动装置,具有刚度大、分辨率高、能耗低和体积小等优点。 本文从平台的整体方案设计和各主要部件功能分析的角度,在微定位平台的机构自由度和运动输出特性、柔性运动副的柔度计算、整体机构的刚度分析及其样机研究等方面对平面三自由度柔顺微定位平台进行较为深入和细致的研究,其具体内容如下： 对常用的能够实现单向平动的三种柔顺四杆机构的输入输出特性进行了分析；探讨了柔性铰链转动副的切口轮廓和柔性移动副的截面形状对对称四杆机构输出位移的影响；针对以上分析和探讨提出了一种高效、低耦合的直线机构—变截面对称柔顺四杆机构。 基于变截面对称柔顺四杆机构创新的提出了3-PRR柔顺微定位平台,与目前常用的3-RRR平台相比,它更适合压电陶瓷驱动。介绍了平面三自由度柔顺微定位平台的工作原理及其各主要部分的功能特点；分析了微定位平台的机构自由度和运动输出特性,利用伪刚体模型法和简化法得出了位移放大机构和3-PRR机构的正反解方程,在此基础上得到整体机构的输入输出位移方程,通过对其进行直接微分得到整体机构的雅克比矩阵。 利用卡氏第二定理得到了变截面对称柔顺四杆机构在其工作平面内的柔度计算公式,分析了各方向柔度系数随对称四杆机构结构参数的变化规律；利用ANSYS软件建立变截面对称柔顺四杆机构的有限元模型并进行了仿真分析,通过对有限元分析数据、理论计算数据两者进行比较分析,验证了推导的计算公式具有较高的计算精度；利用功能转化原理建立了机构的整体刚度矩阵,得出了机构输出位移与输入力之间的关系,通过ANSYS有限元仿真验证了刚度计算模型的正确性；给出了在平台输出转角一定的条件下机构的可达工作空间的形状,并分析了机构工作空间的面积与输出转角的关系。 基于以上分析和研究,建立了平台的有限元模型,通过ANSYS仿真表明,仿真结果和计算结果十分吻合,计算公式正确,方案可行；最后在理论与仿真研究的基础上加工出实物样机。
【关键词】：柔顺微定位平台 柔性铰链 对称四杆机构 3-PRR机构 工作空间 ANSYS软件
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH703
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 第一章 绪论9-16
• 1.1 引言9-10
• 1.2 课题的背景和意义10-11
• 1.3 国内外的研究现状和发展趋势11-14
• 1.4 本文的主要研究内容14-16
• 第二章 低耦合直线位移机构的分析和设计16-28
• 2.1 概述16
• 2.2 柔性铰链16-19
• 2.2.1 柔性铰链的应用领域以及研究现状16-17
• 2.2.2 柔性铰链的材料选择17
• 2.2.3 几种常见切口的柔性铰链17-19
• 2.3 单向平动柔顺四杆机构的输入输出特性分析19-23
• 2.3.1 单向平动柔顺四杆机构的结构形式19
• 2.3.2 单向平动柔顺四杆机构的输出位移和耦合误差分析19-22
• 2.3.3 单向平动柔顺四杆机构的非线性分析22-23
• 2.4 切口轮廓和截面形状对对称四杆机构的输出位移的影响23-27
• 2.4.1 对称四杆机构描述23-24
• 2.4.2 ANSYS建模与仿真分析24-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第三章 平面三自由度柔顺微定位平台及其运动学分析28-42
• 3.1 概述28
• 3.2 3-PRR与3-RRR的性能对比分析28-29
• 3.3 平面三自由度柔顺微定位平台的整体设计29-31
• 3.4 平台模型的伪刚体化分析及其机构自由度计算31-33
• 3.4.1 平台模型的伪刚体化分析31-33
• 3.4.2 机构自由度计算与输出特性分析33
• 3.5 机构的位姿计算33-39
• 3.5.1 机构的简化分析33
• 3.5.2 位移放大机构的位姿分析33-35
• 3.5.3 3-PRR位姿分析35-39
• 3.6 雅克比矩阵39-41
• 3.6.1 雅克比(Jacobian)矩阵简介39-40
• 3.6.2 机构的雅克比矩阵求解40-41
• 3.7 本章小结41-42
• 第四章 平面三自由柔顺微定位平台的刚度分析42-65
• 4.1 概述42
• 4.2 柔性运动副的柔度矩阵42-56
• 4.2.1 半圆型柔性铰链43-45
• 4.2.2 变截面对称柔顺四杆机构的柔度矩阵45-56
• 4.3 整体机构的刚度矩阵56-58
• 4.4 工作空间分析58-59
• 4.5 有限元仿真分析59-64
• 4.6 本章小结64-65
• 第五章 样机研究65-70
• 5.1 概述65
• 5.2 微定位平台的实体结构65-68
• 5.2.1 平台的主体材料选择66-67
• 5.2.2 压电陶瓷驱动器及其主要参数67-68
• 5.3 平台的定位68-69
• 5.4 平台试验相关仪器69
• 5.5 本章小结69-70
• 第六章 总结和展望70-72
• 6.1 全文总结70-71
• 6.2 研究展望71-72
• 攻读硕士期间发表的学术论文和参加的科研项目72-73
• 致谢73-74
• 参考文献74-77

【参考文献】

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本文编号：347981