悬置式多自由度柔性精密定位平台设计与实验研究

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全柔顺台式微/纳装备,是利用超高精度的压电陶瓷驱动器及其控制系统、无机械间隙的微/纳传动平台,可适用于超精密加工、微/纳检测、微装配和微调整、微机器人等领域,用于实现微纳米级定位与传动的微型装备。悬置式微/纳装备由全柔顺微/纳传动及定位平台、机体外框及监测控制系统等组合而成,在众多高精密场合具有潜在的研究意义和实用价值。通过控制压电陶瓷的电压量,压电陶瓷驱动的微/纳传动平台可实现多自由度、高精度的传动及定位,其在医学、航空航天、微装配、微机器人等领域具有广泛的应用前景  本文依托于重庆大学机械传动国家重点实验室自主项目及上海市空间飞行器机构重点实验室开放课题,以在多自由度上实现运动定位为设计目标,创新设计了五自由度悬置式定位平台,并针对该平台开展了结构设计、静态分析、位移耦合分析、加工及实验等研究。本文的研究内容主要包括:  研究了柔性机构的工作原理,基于柔顺机构学,对比分析了驱动元件、柔性铰链、放大机构等柔性部件,应用现代设计理论设计了多自由度高精度传动悬置式定位平台的结构。  基于材料力学,伪刚体理论和虚功原理等理论分析了悬置式定位平台的工作原理及系统的输入/输出关系,建立了精密平台的运动模型;应用卡氏第二定理,对悬置式定位平台进行静力学分析,推导了定位平台放大机构的输入/输出刚度、各自由度移动刚度以及平台整体刚度方程,分析得到了平台的静态特性。  建立了平台的三维实体模型,运用有限元仿真的方法对平台进行静态分析,验证了理论模型的正确性,研究了平台单自由度与多自由度的运动规律,基于理论力学,机械原理等理论分析了平台单自由度运动与多自由度联动位移耦合的特性,并运用有限元进行了位移耦合仿真。  探索了针对整体式加工的电火花线切割和快速成型两种方法的优劣,采用整体式电火花线切割加工方法进行加工。运用传统切削加工和线切割加工的方法,解决了复杂结构整体加工难加工的问题,加工制造得到了悬置式定位平台样机。  针对加工成形的平台,进行实际实验。分别研究了平台样机五个自由度的独立运动性能,基于误差理论,对比分析理论值、仿真值和实验值之间的差异。研究了平台样机多自由度联动时的工作性能,探讨了耦合运动时输出的变化,从整体角度出发,系统地对平台的各项规律和性能指标进行实际分析、验证和评价。
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