基于波纹簧片型柔性单元的两自由度精密定位平台的设计与研究

发布时间：2017-07-16 11:24

  本文关键词：基于波纹簧片型柔性单元的两自由度精密定位平台的设计与研究

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【摘要】：精密定位技术是精密制造、精密测量和精密驱动的关键技术之一。随着微纳技术的迅速发展,不同生产和研究领域都亟需越来越高标准的精密定位技术。如何设计具有大行程、高精度以及高度灵活的精密定位平台是当前精密定位技术的一个关键。本论文设计了一种基于波纹簧片型柔性单元(简称波纹单元)、以电磁驱动的平面两自由度微位移精密定位平台,对波纹单元的刚度特性、驱动器的特性、平台静态和运动特性等进行了分析,确定控制方案并进行了相关的仿真分析和试验研究。针对传统缺口型、直片型等柔性铰链形变量不足,结合微位移精密定位平台大行程的要求,提出了新型的大柔度周期性波纹簧片型柔性单元。首先,利用伪刚体模型法、伯努利大变形理论、坐标变换以及变形叠加的方法求解波纹单元的变形并给出了对应的轨迹方程。然后通过有限元分析软件结合控制变量法对不同参数组合下的模型进行分析,采集分析结果并进行曲线拟合,求得波纹单元的平动刚度和转动刚度的经验公式并展开参数分析,最后通过误差分析、平动及转动柔性铰链的设计和分析验证了上述公式的适用性和准确性。基于波纹簧片型柔性单元设计了电磁驱动的平面解耦型两自由度微位移精密定位平台。主要设计了平台的基本构型,确定波纹单元的具体尺寸参数,利用有限元软件分析了三维平台模型的静态和模态特性。通过分析多种驱动的优缺点,选用电磁驱动。分析电磁驱动器的驱动特性,设计容性负载电路,选择合适的控制器和传感器并搭建完整的精密定位系统。然后测定了平台实体模型的静态特性,利用分步定位控制消除了残余震荡,通过对磁滞等运动特性的分析提出对磁滞回线的电压补偿策略,提高了平台系统的开环定位精度。通过对平台定位系统进行实际检测,结果表明了设计和分析的合理性,验证了电压补偿策略的有效性和实用性。最后对基于缺口型、直片型柔性铰链和波纹簧片型柔性单元的精密定位平台的动静态特性进行对比,突出基于波纹单元的精密定位平台大行程、高定位精度等特点。
【关键词】：精密定位平台 波纹簧片型柔性单元 伪刚体模型 电磁驱动 磁滞回线
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH703
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 精密定位技术研究意义10
• 1.2 柔顺机构技术研究现状10-13
• 1.3 精密定位平台系统发展现状13-17
• 1.4 本论文主要研究内容及创新点17-20
• 1.4.1 本论文主要研究内容及技术路线17-18
• 1.4.2 本论文的创新点18-20
• 第二章 波纹簧片型柔性单元的变形轨迹20-32
• 2.1 前言20
• 2.2 波纹簧片型柔性单元20-22
• 2.3 单元段的变形分析22-26
• 2.3.1 半环形梁段的伪刚体模型22-24
• 2.3.2 直片段的大变形24-25
• 2.3.3 单元段的变形分析25-26
• 2.4 波纹单元的变形轨迹求解26-31
• 2.4.1 单元段的变形叠加26-28
• 2.4.2 轨迹公式图形化28-29
• 2.4.3 验证分析29-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 波纹簧片型柔性单元的刚度分析32-46
• 3.1 前言32
• 3.2 刚度分析32-37
• 3.2.1 平动刚度33-36
• 3.2.2 转动刚度36-37
• 3.3 参数研究37-42
• 3.3.1 刚度图形化37-39
• 3.3.2 参数分析39-42
• 3.4 柔顺铰链设计42-45
• 3.5 本章小结45-46
• 第四章 基于波纹簧片型柔性单元的精密定位平台的总体设计46-58
• 4.1 前言46
• 4.2 平台结构46-48
• 4.2.1 平台模型46-47
• 4.2.2 波纹单元的设计47-48
• 4.3 动静态特性的有限元分析48-50
• 4.4 电磁驱动器的设计50-53
• 4.4.1 电磁驱动器50-51
• 4.4.2 非线性驱动力51-52
• 4.4.3 极值点52-53
• 4.5 精密定位平台系统的搭建53-57
• 4.5.1 平台实体模型53-54
• 4.5.2 容性负载电路54-55
• 4.5.3 系统搭建55-57
• 4.6 本章小结57-58
• 第五章 精密定位平台运动控制研究58-70
• 5.1 前言58
• 5.2 平台静态特性测定58-59
• 5.3 平台运动特性分析59-63
• 5.3.1 磁滞59-61
• 5.3.2 残余震荡61-63
• 5.3.3 位移峰值偏移63
• 5.4 平台开环控制技术研究63-67
• 5.4.1 控制关系简化63-64
• 5.4.2 驱动关系曲线拟合64-65
• 5.4.3 电压补偿65-67
• 5.5 精密定位平台定位实验研究67-68
• 5.6 本章小结68-70
• 第六章 三种两自由度精密定位平台的性能对比70-76
• 6.1 前言70
• 6.2 三种精密定位平台的有限元分析结果对比70-73
• 6.3 三种精密定位平台的实验研究对比73-75
• 6.3.1 静态特性73-74
• 6.3.2 定位控制74-75
• 6.4 本章小结75-76
• 总结与展望76-80
• 参考文献80-88
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果88-90
• 致谢90-91
• 附件91

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王阳元,康晋锋;硅集成电路光刻技术的发展与挑战[J];半导体学报;2002年03期

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本文编号：548449