【摘 要】
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随着微/纳制造、微/纳装配及微/纳机械系统等微/纳领域的不断进步和发展,相关制造装备、检测技术等对定位精度的要求也越来越高,基于传统机械传动方式的定位技术已经无法满足微/纳领域的工作需求。因此,迫切需要开发出高精度的微/纳精密定位系统,同时应具备大行程、多自由度和高频响以满足日益严苛的实际工作要求。基于柔顺机构和压电陶瓷的微定位平台以压电陶瓷为驱动,通过柔顺机构自身柔性构件的弹性变形实现力和能量传
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随着微/纳制造、微/纳装配及微/纳机械系统等微/纳领域的不断进步和发展,相关制造装备、检测技术等对定位精度的要求也越来越高,基于传统机械传动方式的定位技术已经无法满足微/纳领域的工作需求。因此,迫切需要开发出高精度的微/纳精密定位系统,同时应具备大行程、多自由度和高频响以满足日益严苛的实际工作要求。基于柔顺机构和压电陶瓷的微定位平台以压电陶瓷为驱动,通过柔顺机构自身柔性构件的弹性变形实现力和能量传递,结合压电陶瓷驱动器的超高分辨率、高刚度、快速响应、大输出力等优点和柔顺机构的无配合、无磨损和高精度的优点,在精密制造领域受到了广泛关注。开展高精度大行程多自由度精密定位平台的技术研究,对精密制造领域以及我国制造业强国有着重要的理论意义。本文依托于机械传动国家重点实验室,针对大行程多自由度微定位平台,开展了微定位平台的工作原理、静动复合建模原理、静动力学建模、静动特性仿真、实验测量和改进设计等研究。主要研究内容如下:（1）研究了微/纳定位系统的工作原理。采用柔顺机构学、弹性变形理论,探讨了大行程六自由度微定位平台工作原理,研究了压电陶瓷驱动器及几类常见柔顺位移放大机构的原理;讨论了柔顺机构的分析方法,分析了针对柔顺机构基于动力刚度矩阵的静动力学复合建模原理。（2）研究了柔顺微定位平台的建模理论及方法。采用达朗贝尔原理、传递矩阵理论、有限元振动理论和矩阵位移方法等理论,提出了针对复杂结构柔顺机构的多级简化静动复合建模方法,求解了各单元动力刚度矩阵;探讨了串、并联多单元支链向双节点柔性单元的等效简化和对称柔顺结构的等效简化,建立了微定位平台的输入/输出二端口静动力学复合模型;探究了整个平台的力和位移关系,推导了平台的输入/输出刚度模型、放大比模型和平台固有频率模型等静/动力学特性。（3）研究了微定位平台的特性分析与实验测试。采用现代设计方法及实验测试技术,探讨了机械结构和主要几何尺寸参数对微平台输入/输出刚度、输出位移以及固有频率等特性的影响规律;搭建了微/纳定位系统的静、动态实验测试平台,并结合有限元仿真实验结果,探讨了微定位平台输入/输出刚度模型、放大比模型和固有频率模型的可行性;对微定位平台的工作行程、输入输出特性、动态响应特性进行了分析和评价,验证了大行程多自由度微定位平台静动力学分析方法的正确性。（4）研究了微定位平台的改进设计方案:针对六自由度微定位平台性能的不足之处探究了改进设计方案,探讨了大行程、高频响柔顺定位平台的设计方法;提出了同时具有大位移和高频响混合型位移放大机构新构型,搭建了新型微定位平台;建立了新型微平台的静动力学模型,进行了静/动力学特性的仿真实验,验证了新型微定位平台静动力学解析模型的可靠性。
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