精密柔性微夹持器的设计与控制

作     者：周开欢 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王福军

授予年度：2018年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：微夹持器 压电驱动 柔性铰链 特性分析 位移/力切换控制 

摘      要：微夹持器是高精度微纳操作中的重要末端执行机构,其性能直接影响微操作的效率和质量。本文以实现稳定、可靠夹持为目的,设计了一种新型非对称结构微夹持器,从微夹持器的结构设计、特性分析、控制系统设计等方面对其进行了系统地研究,并搭建实验平台,完成了微夹持器的夹持试验与性能测试。本文主要研究工作如下:提出微夹持器的结构设计方案。首先选用压电陶瓷作为驱动器;再设计单侧运动模式和平行夹持方案,保证固定的定位基准,避免模态密集问题,实现平行稳定夹持;最后设计由杠杆机构、桥式放大机构及平行四边形杠杆机构组成的三级柔性位移放大机构,保证足够的位移放大倍数。采用伪刚体模型法和有限元分析法进行特性分析。利用伪刚体模型方法建立微夹持器的等效模型,并以此为基础对微夹持器进行运动学、静力学及动力学分析,确定了微夹持器的输入刚度、位移放大倍数以及固有频率等参数。使用有限元分析方法验证理论分析的结果。经有限元静力分析,得到了微夹持器的位移放大倍数;通过模态分析,确定了微夹持器的各阶模态振型及相应的固有频率;最后通过夹持力分析,得到了夹持力随着输入位移的变化关系。设计微夹持器控制系统。设计离散滑模控制器,用于控制夹持臂的位移和夹持力,并采用位移/力切换控制策略实现了微夹持器的位移和夹持力的平稳控制。其中,控制器的力信号通过在柔性梁处粘贴应变片测得,控制器的位移信号通过外接激光位移传感器测量获得。搭建实验平台,测试微夹持器性能。进行夹持实验测试夹持臂的夹持性能;进行特性实验测试了微夹持器的位移放大倍数和固有频率。进行控制实验测试微夹持器的位移、力阶跃响应和位移/力切换控制策略。结果表明,微夹持器具有良好的性能,位移/力切换控制策略可以实现高精度的抓取操作。