压电驱动型宏微结合精密定位运动平台的研究

发布时间：2017-07-07 20:20

  本文关键词：压电驱动型宏微结合精密定位运动平台的研究

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【摘要】：宏微结合两级驱动精密定位技术是国防军工、航空航天、精密加工、生物科学和精密光学等领域的关键支撑技术之一。随着科学技术的发展,精密定位技术对定位系统行程和精度的需求越来越大,宏微结合两级驱动精密定位技术克服了传统的单一驱动定位技术难于实现大行程、高精度的技术难题,在体积、行程、响应速度、定位精度等方面均具有较大的优势,国内外科研人员围绕宏微结合两级驱动精密定位技术展开了系统深入的研究。本论文以交流伺服电机、压电叠堆分别作为宏微驱动的动力元件,以实现大行程、高精度和较高承载能力为着眼点,结合压电学、材料力学、理论力学等相关学科基本理论,设计研制了一种三自由度大行程的宏微结合两级驱动精密定位运动平台。微定位系统设计部分,通过对直圆型柔性铰链、直梁型柔性铰链、“Z”型柔性铰链三种柔性铰链进行力学模型与性能的对比分析,选择由“Z”型柔性铰链作为微定位平台的传动部分,并采用双平行六连杆导向机构来减少平台的耦合位移,增大承载能力;建立微定位平台的动力学模型,采用ANSYS有限元软件对微定位平台进行结构优化和力学仿真分析,验证了结构设计的合理性。宏定位系统设计部分,对平台选用的交流伺服电机、滚珠丝杠、直线导轨等结构组成元件进行了分析研究,建立宏定位平台X轴位移在水平方向简谐外力F(t)作用下的动力学模型,对其动态特性进行了分析,并使用有限元仿真软件ANSYS对宏定位平台进行了六阶模态振型分析。搭建了宏微结合精密定位运动平台试验系统,测试出宏定位系统的定位精度为1.54μm,运动稳定性能良好;对微定位系统在X、Y方向的电压-位移运动特性进行了测试研究,行程分别为17.86μm、15.45μm;对微定位平台的承载能力进行了试验分析;对微定位平台进行输入正弦波信号试验分析,验证了微定位平台具有良好的运动特性;对微定位平台进行输入阶跃响应试验分析,测试出微定位X、Y方向的响应速度分别为0.00755m/s、0.00625m/s。
【关键词】：压电驱动 伺服电机 柔性铰链 精密定位 运动平台
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH703
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 论文研究的背景和意义11
• 1.2 运动平台的研究现状11-17
• 1.2.1 宏微结合精密定位运动平台的国外研究现状13-15
• 1.2.2 宏微结合精密定位运动平台的国内研究现状15-17
• 1.3 宏微结合精密定位运动平台的关键技术17-18
• 1.4 未来发展趋势18
• 1.5 论文研究内容18-21
• 第2章 宏微结合精密定位运动平台的工作原理21-33
• 2.1 宏微结合精密定位运动平台工作原理21-22
• 2.2 压电元件工作原理22-27
• 2.2.1 压电效应22-24
• 2.2.2 压电材料的分类24
• 2.2.3 压电叠堆及其工作原理24-26
• 2.2.4 压电叠堆迟滞特性分析26-27
• 2.3 柔性铰链工作原理27-31
• 2.3.1 柔性铰链简介27-28
• 2.3.2 柔性铰链的分类28-29
• 2.3.3 柔性铰链选材与制作29-30
• 2.3.4 柔性铰链力学模型30-31
• 2.4 宏微结合精密定位运动平台控制系统原理31-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第3章 压电陶瓷驱动微定位平台的设计与分析33-53
• 3.1 微定位平台的结构设计33-36
• 3.1.1 微定位平台的设计要求33-34
• 3.1.2 运动机构组合方式选择34
• 3.1.3 导向机构的选择34-36
• 3.2 三种柔性铰链的力学模型与性能对比36-42
• 3.2.1 直圆型柔性铰链的力学模型解析法分析37-38
• 3.2.2 直梁型柔性铰链的力学模型解析法分析38-39
• 3.2.3“Z”型柔性铰链的力学模型解析法分析39-41
• 3.2.4 三种柔性铰链有限元分析对比41-42
• 3.3 微定位平台力学模型42-44
• 3.3.1 微定位平台动力学模型系统动能43-44
• 3.3.2 微定位平台动力学模型系统势能44
• 3.4 微定位平台的有限元仿真分析44-51
• 3.4.1 微定位平台几何参数的确定44-45
• 3.4.2 微定位平台有限元模型建立45-46
• 3.4.3 微定位平台静力分析46-50
• 3.4.4 微定位平台模态分析50-51
• 3.5 本章小结51-53
• 第4章 宏定位平台的设计与分析53-65
• 4.1 宏定位平台的方案设计53-54
• 4.2 宏定位平台结构组成54-57
• 4.2.1 驱动电机的选择54-55
• 4.2.2 传动丝杠的选型55
• 4.2.3 导向装置的选择55-56
• 4.2.4 三维宏动平台简介56-57
• 4.3 宏定位平台动态特性分析与仿真57-62
• 4.3.1 X轴滚珠丝杠进给系统动力学模型57-60
• 4.3.2 宏动台动态特性仿真分析60-62
• 4.4 本章小结62-65
• 第5章 宏微结合精密定位运动平台的试验研究65-87
• 5.1 宏微结合精密定位运动平台试验系统的搭建65-66
• 5.2 宏定位系统的试验研究66-67
• 5.3 微定位系统的试验研究67-86
• 5.3.1 电压－位移特性试验分析67-80
• 5.3.2 承载能力试验分析80-82
• 5.3.3 输入正弦波信号试验分析82-84
• 5.3.4 阶跃响应试验分析84-86
• 5.4 本章小结86-87
• 第6章 总结与展望87-89
• 参考文献89-93
• 作者成果简介93-94
• 致谢94

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本文编号：531695