柔顺微夹钳的设计及特性分析

发布时间：2017-08-28 19:22

  本文关键词：柔顺微夹钳的设计及特性分析

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【摘要】：微纳米技术的迅速发展,对微细操作提出了更高的需求,进而推动了微操作机器人的广泛研究,微操作机器人外形尺寸不必太小,但能够实现微米甚至纳米级的精密运动及操作,在精密机械工程、微电子装配、微细加工、生命科学、遗传工程、光纤对接和微创手术等领域发挥着重要作用。由压电陶瓷驱动的柔顺微夹钳作为典型微操作系统的执行末端,具有结构紧凑、制造方便、易控制等特点,成为国内外研究的热点。因此,研究大位移输出量、结构紧凑、易控制的微夹钳,对促进我国高精尖技术的发展具有深远意义。本文依托于重庆大学机械传动国家重点实验室科研业务专项项目及上海市空间飞行器机构重点实验室开放课题,以易控制、大张合量的微夹钳为设计目标,创新设计了三级放大柔顺微夹钳,并针对该微夹钳开展了结构设计、静态分析、加工及试验等研究。本文的研究内容主要包括:应用柔顺机构学、精密仪器设计、机械原理、卡氏第二定理及材料力学等基本理论,研究了柔顺机构的组成及工作原理,设计了三级放大的柔顺微夹钳,建立了桥式放大机构输入及输出刚度模型。应用伪刚体模型法、自由体图解法、虚功原理等理论,建立了微/纳传动平台及微夹钳的伪刚体模型,分析了杠杆及平行导向机构受力情况,推导了杠杆-平行导向机构刚度模型及其位移放大比,确定了夹持力与输入力之间的关系。应用键合图理论,综合分析了柔顺机构中典型构件的键合图模型,揭示了微/纳传动平台及微夹钳的运动规律,研究了桥式放大机构及平行导向机构能量的传递,建立了平台及微夹钳的键合图模型,推导了其特征方程,并在此基础之上进一步获得了状态方程。分析了柔顺机构的加工方法及材料选择原则,并基于激光快速成型技术(3D打印)加工了柔顺微夹钳,利用Matlab/Simulink求解了平台及微夹钳的状态方程,获得了位移仿真曲线,搭建了微夹钳试验装置,研究了微夹钳输入输出性能,验证了所建键合图模型的正确性及其分析柔顺机构的可行性,并结合微操作系统阐述了所设计微夹钳的实际工程应用。
【关键词】：微夹钳 键合图 柔顺机构 压电陶瓷驱动器
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH703
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 绪论9-19
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 微夹持器的研究现状10-13
• 1.2.1 微夹持器国内研究现状10-12
• 1.2.2 微夹持器国外研究现状12-13
• 1.3 基于压电陶瓷驱动的微夹钳的国内外研究现状13-17
• 1.3.1 微夹钳分类13-14
• 1.3.2 基于压电驱动微夹钳的国内外研究现状14-17
• 1.4 本论文的主要研究内容17
• 1.5 本章小结17-19
• 2 柔顺机构基本原理及键合图理论19-31
• 2.1 自由体图解法与虚功原理19-20
• 2.2 键合图的基本概念20-22
• 2.3 柔顺机构中典型构件22-30
• 2.3.1 柔性铰链22-24
• 2.3.2 压电陶瓷驱动器24-27
• 2.3.3 微位移放大机构27-28
• 2.3.4 柔顺平行导向机构分析28-30
• 2.4 本章小结30-31
• 3 微夹钳的结构设计及静力学特性分析31-45
• 3.1 柔顺微夹钳的结构设计31-33
• 3.2 桥式放大机构刚度分析33-36
• 3.2.1 输入刚度33-35
• 3.2.2 输出刚度35-36
• 3.3 杠杆-平行导向机构刚度分析36-39
• 3.4 微夹钳刚度及放大比39-42
• 3.4.1 输入输出刚度39-40
• 3.4.2 放大比40-42
• 3.5 微夹钳夹持力分析42-44
• 3.6 本章小结44-45
• 4 键合图理论在柔顺机构中的应用45-59
• 4.1 柔顺机构的键合图模型45-46
• 4.2 柔顺微/纳传动平台的键合图模型46-53
• 4.2.1 平台伪刚体模型47-48
• 4.2.2 桥式放大机构键合图模型48-50
• 4.2.3 双平行导向机构键合图模型50-51
• 4.2.4 平台X/Y/Z向键合图模型51-53
• 4.3 微/纳传动平台X/Y/Z向移动状态方程53-55
• 4.4 微夹钳键合图模型及状态方程55-58
• 4.4.1 键合图模型55-56
• 4.4.2 微夹钳状态方程56-58
• 4.5 本章小结58-59
• 5 柔顺机构加工、仿真与试验59-81
• 5.1 材料的选择59-60
• 5.2 加工方法60-66
• 5.2.1 电火花线切割60-61
• 5.2.2 激光快速成型61-64
• 5.2.3 激光快速成型技术加工微夹钳64-66
• 5.3 有限元仿真及状态方程求解66-73
• 5.3.1 微/纳传动平台及微夹钳的有限元仿真66-68
• 5.3.2 微/纳传动平台及微夹钳状态方程求解68-73
• 5.4 试验研究73-78
• 5.4.1 试验装置73-74
• 5.4.2 微/纳传动平台的位移输出试验分析74-75
• 5.4.3 微夹钳试验分析75-78
• 5.5 微夹钳的工程应用78-80
• 5.6 本章小结80-81
• 6 结论与展望81-83
• 6.1 全文总结81
• 6.2 后续工作与展望81-83
• 致谢83-85
• 参考文献85-89
• 附录89
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录89
• B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目目录89

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本文编号：749060