桥式柔顺微定位平台的设计、优化与实验研究

发布时间：2017-09-25 12:11

  本文关键词：桥式柔顺微定位平台的设计、优化与实验研究

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【摘要】：微纳米尺度的精密定位与跟踪技术是精密加工、半导体制备、信息存储以及生物医学工程等众多领域的关键技术之一。压电陶瓷驱动的柔顺微定位平台,以其运动精度高、响应速度快等优点,成为目前国内外研究和关注的重点。然而由于压电陶瓷直接输出位移较小,在相关领域的应用受到一定的限制。本论文分析了柔性铰链的变形机理和几种微位移放大机构的工作机理,设计了一种基于桥式放大机构的改进型柔顺微定位平台,对压电陶瓷驱动器的输出位移加以放大来增大微定位平台的工作行程。针对该微定位平台,开展了结构设计、理论建模、有限元仿真、参数优化和实验测试等方面的研究,具体研究工作如下：设计了一种基于桥式放大机构的改进型柔顺微定位平台。在分析位移放大机构及导向机构的基础上,采用放大能力强、结构紧凑的桥式机构对驱动器的输出位移进行放大,同时设计四杆对称式运动导向机构,以抑制寄生位移的影响,保证微定位平台的运动行程和定位精度。建立了更为精确的微定位平台的静／动力学模型。考虑负载对桥式机构的影响,基于卡式第二定理和应变能理论建立了以柔性铰链为主要特征的桥式机构静力学模型,基于欧拉-伯努利梁理论建立了四杆对称式运动导向机构的静力学模型。在此基础上,综合建立微定位平台的整体静力学模型,并应用拉格朗日方程,建立了该平台的动力学模型。通过与现有文献中的研究成果对比验证了本文所提出模型的精确性。采用有限元方法对微定位平台及其各组成机构的理论模型进行了仿真验证,包括放大机构的位移放大比,运动导向机构的刚度特性,以及微定位平台的静力学和动力学特性,同时对平台寄生位移的抑制效果进行了评价。提出了一种多目标综合优化方法优化设计平台结构参数。基于建立的静力学建模和动力学建模所得到的平台的性能指标(位移放大比和固有频率)与柔性铰链尺寸参数之间的函数关系。针对各性能指标之间的相互制约关系,采用统一目标函数法中的线性加权组合法,建立了柔顺微定位平台的多目标优化模型,对平台的静动态特性进行协调,进一步优化选取平台的尺寸参数。最后进行了微定位平台的实验测试。基于优化设计结果,加工了微定位平台实验样机,并搭建了微定位实验系统,对本文中建立的理论模型和有限元仿真结果进行了有效验证。针对压电陶瓷驱动器固有的迟滞非线性问题,设计了基于Prandtl-Ishlinskii(PI)逆模型的开环前馈补偿控制器,然而考虑到逆模型补偿由于过分依赖模型参数而在实际应用中往往存在补偿误差,引入基于混合灵敏度优化的H∞鲁棒控制策略,进一步改善平台的性能。
【关键词】：桥式放大机构 柔顺微定位平台 静/动力学建模 多目标优化 前馈-反馈混合控制
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH703
【目录】：

• 摘要11-13
• Abstract13-15
• 第1章 绪论15-23
• 1.1 课题来源15
• 1.2 课题研究背景及意义15-16
• 1.3 国内外研究现状16-20
• 1.3.1 柔顺微定位平台的设计16-18
• 1.3.2 柔顺微定位平台的建模与优化18-19
• 1.3.3 微定位系统的控制19-20
• 1.4 论文研究内容及结构20-23
• 第2章 桥式柔顺微定位平台的结构设计23-35
• 2.1 引言23
• 2.2 柔性铰链机构23-26
• 2.2.1 柔性铰链简介23-24
• 2.2.2 柔性铰链的建模24-26
• 2.3 微位移放大机构26-30
• 2.3.1 杠杆放大机构26-27
• 2.3.2 桥式放大机构27-29
• 2.3.3 其他微位移放大机构29-30
• 2.4 运动导向机构30-31
• 2.5 平台整体结构的设计31-33
• 2.6 本章小结33-35
• 第3章 桥式微定位平台的静、动力学模型35-53
• 3.1 引言35
• 3.2 微定位平台的静力学建模35-48
• 3.2.1 桥式放大机构的建模35-41
• 3.2.2 运动导向机构的建模41-44
• 3.2.3 微定位平台的整体静力学模型44-48
• 3.3 微定位平台的动力学建模48-52
• 3.3.1 微定位平台的动力学模型48-50
• 3.3.2 微定位平台的固有频率50-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第4章 微定位平台的有限元仿真53-61
• 4.1 引言53
• 4.2 各组成机构的性能分析53-57
• 4.2.1 桥式放大机构的有限元仿真53-56
• 4.2.2 运动导向机构的有限元仿真56-57
• 4.3 微定位平台的整体性能57-59
• 4.3.1 平台的静力学特性57-58
• 4.3.2 平台的模态分析58-59
• 4.3.3 平台的寄生位移抑制特性59
• 4.4 本章小结59-61
• 第5章 微定位平台的参数优化61-71
• 5.1 引言61
• 5.2 微定位平台的尺寸约束条件61-63
• 5.2.1 微定位平台的刚度约束61-62
• 5.2.2 微定位平台的应力约束62-63
• 5.3 微定位平台的参数优化63-68
• 5.3.1 微定位平台的单目标参数优化63-66
• 5.3.2 微定位平台的多目标参数优化66-68
• 5.4 微定位平台优化前后性能对比68-70
• 5.5 本章小结70-71
• 第6章 微定位平台的实验测试与控制算法设计71-87
• 6.1 引言71
• 6.2 实验系统简介71-74
• 6.2.1 实验样机72
• 6.2.2 实验仪器72-74
• 6.3 微定位平台开环特性74-77
• 6.3.1 位移放大比实验74-75
• 6.3.2 动力学分析75-77
• 6.4 微定位系统的非线性控制77-83
• 6.4.1 基于模型的前馈补偿控制77-80
• 6.4.2 前馈反馈混合控制方案80-83
• 6.5 微定位系统的实验效果83-84
• 6.6 本章小结84-87
• 总结与展望87-89
• 参考文献89-93
• 攻读硕士学位期间发表的学术成果93-95
• 致谢95-96
• 学位论文评阅及笞辩情况表96

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本文编号：917276