复合阻尼XYZ解耦并联柔顺机构设计与实验研究

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微纳定位平台是精密制造系统里的核心模块。为了保证精密制造过程的高效率及高产能,要求基于压电驱动柔顺机构的微纳定位平台具有运行速度快、行程范围大等技术特征。然而柔顺机构的低刚度和轻阻尼特性使其成为影响定位平台控制性能的薄弱环节。因此,本文在柔顺机构中引入阻尼以改善其动力学特性,并从单元、系统与应用三个层面展开研究。在单元层面,展开柔性单元“阻尼化”研究,即设计了一种新型阻尼子结构内嵌于柔性铰链中以增强其阻尼,并对铰链的阻尼性能展开理论与实验研究;在系统层面,引入内嵌阻尼子结构的柔性铰链和梯度局部谐振器设计了复合阻尼XYZ柔顺机构,并对其展开理论研究;在应用层面,基于系统层面提出的机构设计并优化了一种复合阻尼XYZ定位平台,并展开实验研究。本文的主要研究内容概括如下:1)有阻尼双轴同位正交柔性铰链的设计与实验研究。介绍双轴同位正交柔性铰链和阻尼子结构的设计,建立有阻尼柔性铰链的等效阻尼损失因子模型。从理论、仿真和实验三个方面对比分析,相互验证了阻尼子结构对铰链的阻尼增强效应。2)复合阻尼XYZ解耦并联柔顺机构动力学建模与分析。提出一种命名为3⊥(P⊥K//K)的特殊构型,并基于该构型设计了XYZ解耦并联柔顺机构。在此基础上内嵌增强铰链阻尼的阻尼子结构和可调谐机构模态阻尼的梯度局部谐振器以改善机构的动态特性。建立机构的动力学模型,并简要分析了各特征参数对机构阻尼的增强机理。3)复合阻尼XYZ定位平台的设计与优化。基于上述机构提出复合阻尼XYZ定位平台的设计方案,并推导了平台的位移放大比。运用两种不同的联合仿真优化设计方法分别对平台结构参数和与阻尼相关的特征参数进行优化设计。通过有限元分析对复合阻尼XYZ定位平台优化后的静/动态性能进行评估。4)压电驱动复合阻尼XYZ定位平台实验研究。为了探讨阻尼子结构和梯度局部谐振器对平台控制性能改善的有效性,对复合阻尼XYZ定位平台进行静/动态测试实验。运用比例积分(PI)控制器和正位置、速度、加速度反馈(PAVPF)控制器进行半闭环轨迹跟踪实验,验证了采用内嵌梯度局部谐振器增强模态阻尼的方法在改善平台控制带宽的同时能够降低主动阻尼控制算法的复杂性。
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