空间平动柔性微定位平台结构设计与性能分析

作     者：王保兴 

作者单位：江南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹毅

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：柔性机构 结构设计 静、动态特性 非线性分析 柔度矩阵 

摘      要：柔性机构利用材料的弹性变形传递力或运动,可避免间隙、摩擦、磨损、回程误差,延长机构的使用寿命,同时免于润滑、装配、频繁维护,利于实现稳定的高精度运动。空间平动柔性机构在微纳加工、精微操作、原子力显微镜的三维扫描等领域有着广泛的应用,是柔性机构中的重点自由度类型。高性能空间平动柔性微定位平台的结构设计与静、动态性能分析是该领域研究的热点和难点,因此针对该问题本文进行了如下研究:（1）首先,从运动精度、负载能力、工作空间、动态性能等方面对串联式结构与并联式结构进行了对比,确定了空间平动柔性微定位平台的研究类型为并联式结构。其次,明确了高性能空间平动柔性并联微定位平台的设计要求。然后,介绍了刚体置换法、约束设计法、自由度与约束空间拓扑法,这三种柔性机构的常用设计方法。最后,总结上述设计方法的优势,提出了高性能空间平动柔性微定位平台的结构设计技术路线。（2）为解决现有的三支链空间平动柔性并联微定位平台结构布局不紧凑,且多轴驱动时各运动副的寄生运动相互累加,导致平台耦合误差增大的问题。首先,通过刚体置换法和自由度与约束空间拓扑法得到基于片状梁的分布柔度式3-PPP型平台初始结构。其次,通过结构优化减小了平台的体积、消除了支链中移动副寄生运动的累加现象。然后,基于柔度矩阵法建立了平台的输入刚度理论模型,并采用有限元仿真验证了理论模型的正确性。同时,计算了平台的固有频率,并探究了其与片状梁尺寸参数之间的关系。最后,将结构优化前后的平台通过有限元仿真进行对比分析,结果表明结构优化后平台的体积减小了67%,其前三阶固有频率为94.5Hz,耦合误差小于0.39%,丢失运动小于0.09%且在单轴和多轴驱动时均具有更优的运动解耦性和输入输出一致性。（3）为进一步提升平台的运动行程,同时减小平台的运动耦合。首先,通过刚体置换法和自由度与约束空间拓扑法得到分布柔度式3-PPPR型平台初始结构;其次,对其结构优化得到基于细长杆的3-PPPR型大行程空间平动柔性并联微定位平台。然后,考虑应力刚化效应建立了平台大行程条件下的力-位移关系非线性模型,基于柔度矩阵法建立了平台的输入刚度模型,并计算了平台的固有频率。最后,采用有限元仿真对理论模型和平台静、动态性能进行了分析与验证。结果表明平台前三阶固有频率为44Hz,其至少可实现1mm的运动行程,且耦合误差小于0.23%,丢失运动小于0.17%。（4）为进一步提升平台的输出解耦性能。首先,综合采用上述三支链平台中的柔性运动副设计了大行程五支链5-PPPR和4-PPP＆PPPR型平台。其次,采用非线性方法建立了4-PPP＆PPPR型平台的力位移关系、输入耦合及丢失运动的理论模型,并采用柔度矩阵法建立平台的刚度及固有频率模型。然后,以提高平台的静、动态性能为目标对平台进行参数寻优,实现了平台的参数化最优设计。最后,对平台进行有限元分析,验证理论模型的正确性。结果表明平台一阶固有频率为49.6Hz,在1mm运动行程内,x、z轴方向的丢失运动分别小于0.32%、0.7%,输入耦合小于1.2%且输出完全解耦。