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基于桥式放大机构的柔顺微定位平台的研究

机器人 2016年第2期38卷 185-192页

作者：杜志元闫鹏山东大学机械工程学院高效洁净机械制造教育部重点实验室山东济南250061

在微位移定位平台设计中,为充分利用桥式机构放大比高的优势,同时使其具有较高的定位精度,在桥式机构的基础上引入了运动导向机构,设计了一种改进型的柔顺微位移定位平台.根据材料力学原理和卡氏定理,推导了该定位平台的放大倍数和固有... 详细信息

在微位移定位平台设计中,为充分利用桥式机构放大比高的优势,同时使其具有较高的定位精度,在桥式机构的基础上引入了运动导向机构,设计了一种改进型的柔顺微位移定位平台.根据材料力学原理和卡氏定理,推导了该定位平台的放大倍数和固有频率表达式.然后通过有限元软件,对微定位平台的放大倍数和固有频率进行仿真,并与理论计算结果进行了分析对比.最后搭建了微定位实验系统来测试所设计的平台的性能.实验结果表明:该改进型平台的放大比为6.4,固有频率为345.0 Hz.理论模型与有限元仿真得到的放大倍数和固有频率的相对误差分别为2.9%和3.6%,与实验测得的放大比和固有频率的相对误差分别为6.7%和6.8%.实验结果验证了理论模型的正确性.

关键词：桥式放大机构运动导向机构柔顺定位平台卡氏定理

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桥式放大机构放大率的计算与分析

天津理工大学学报 2020年第2期36卷 11-15页

作者：伍威赵纪宇丁冰晓李杨民吉首大学物理与机电工程学院湖南吉首416000 香港理工大学工业与系统工程系香港999077

针对传统桥式放大机构放大倍数小、定位精度低的不足,设计了一种新型桥式放大机构,可以很好的消除耦合运动,增加放大倍数和提高定位精度.利用桥式微位移放大机构的对称性,建立了1/4桥式放大机构的数学模型,推导了桥式放大机构放大率的... 详细信息

针对传统桥式放大机构放大倍数小、定位精度低的不足,设计了一种新型桥式放大机构,可以很好的消除耦合运动,增加放大倍数和提高定位精度.利用桥式微位移放大机构的对称性,建立了1/4桥式放大机构的数学模型,推导了桥式放大机构放大率的理论计算公式,公式在表达上较为简洁,有利于简化桥式放大机构放大率的计算和分析.计算了新型桥式放大机构的位移放大率,使用有限元分析软件ANSYS Workbench进行了模拟仿真,与理论计算所得出的结论进行比较,并对误差进行分析,从而验证所推导公式的准确性.

关键词：桥式放大机构柔性铰链放大率有限元分析

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分布柔度桥式位移放大机构静动力学性能研究

压电与声光 2018年第2期40卷 251-256页

作者：赖磊捷梅峻华朱姿娜上海工程技术大学机械工程学院上海201620

该文对分布柔度桥式位移放大机构的放大比、刚度特性及固有频率等静动力学性能进行了研究。首先,根据柔性梁单元的刚度矩阵建立了该放大机构的位移放大比及其输入刚度解析模型。随后根据柔性梁的变形曲线方程,通过求解变形曲线对时间的... 详细信息

该文对分布柔度桥式位移放大机构的放大比、刚度特性及固有频率等静动力学性能进行了研究。首先,根据柔性梁单元的刚度矩阵建立了该放大机构的位移放大比及其输入刚度解析模型。随后根据柔性梁的变形曲线方程,通过求解变形曲线对时间的导数,得到梁上任一点速度以获得柔性梁在机构振动过程中动能表达,在此基础上,利用拉格朗日法建立了具有3个广义坐标的桥式放大机构的振动方程,并得到其工作方向的固有频率。最后利用有限元与实验方法对其动力学性能进行了测试。实验结果表明,解析计算结果与有限元分析及实验结果较吻合,证明了所建立的解析模型的准确性。

关键词：分布柔度桥式放大机构刚度矩阵振动方程有限元分析

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一种桥式微位移放大机构的性能研究

中国矿业大学学报 2011年第2期40卷 310-314页

作者：李威叶果王禹桥杨雪锋中国矿业大学机电工程学院江苏徐州221116

利用桥式微位移放大机构的结构全对称性,建立了微位移放大机构的四分之一数学模型.采用矩阵法建立了其柔度矩阵,推导出位移放大机构的输出位移公式及位移放大比公式;基于模态分析理论,根据拉格朗日方程建立了桥式放大机构的运动微分方程... 详细信息

利用桥式微位移放大机构的结构全对称性,建立了微位移放大机构的四分之一数学模型.采用矩阵法建立了其柔度矩阵,推导出位移放大机构的输出位移公式及位移放大比公式;基于模态分析理论,根据拉格朗日方程建立了桥式放大机构的运动微分方程,给出了计算桥式微位移放大机构固有频率的解析式.用ANSYS11.0进行有限元仿真,结果表明:在X,Y轴方向上的输出位移、位移放大比以及机构的固有频率,理论计算值与有限元仿真值的误差分别为7.05%,4.81%,2.48%和0.08%.X轴输出位移相差较大主要原因是在理论模型中采取简化分析而忽略了柔性铰链的伸长,并且假设除柔性铰链外,其它的部分为刚性.

关键词：桥式放大机构四分之一模型有限元仿真

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二维压电微动平台设计与控制研究

二维压电微动平台设计与控制研究

作者：苏允聪广州大学

学位级别：硕士

压电微纳定位平台具有结构简单紧凑、输出精度高、响应速度快、输出推力大以及抗电磁干扰等优点,能够提供微纳米级别的分辨率与定位精度,被广泛应用于精密加工制造、微纳定位技术、精密医疗器械以及航空航天等领域。随着近年来微纳制造... 详细信息

压电微纳定位平台具有结构简单紧凑、输出精度高、响应速度快、输出推力大以及抗电磁干扰等优点,能够提供微纳米级别的分辨率与定位精度,被广泛应用于精密加工制造、微纳定位技术、精密医疗器械以及航空航天等领域。随着近年来微纳制造领域的迅猛发展,对压电微纳定位平台的工作行程、负载大小以及定位精度等方面提出了挑战。本文以二维压电微动平台为研究对象,对二维压电微动平台的设计、迟滞非线性的建模以及轨迹跟踪与定位控制开展相关研究,主要研究内容如下:介绍了压电材料的基本特性与主要性能参数,对叠堆型压电驱动器的工作原理与机电特性进行详细分析,推导了叠堆型压电驱动器的输出力与位移的特性。最后对本文所用叠堆型压电驱动器进行了基本的性能测试与参数标定。提出并设计了一种基于桥式放大机构的二维压电微动平台。分析不同位移放大结构的特点,设计了基于桥式放大机构的并联式二维压电微动平台;基于卡氏第二定理建立了微动平台的等效理论模型,推导了平台工作行程、位移放大比与尺寸参数之间的关系;通过分析尺寸参数对位移放大比与输入刚度的影响,确定了平台的结构尺寸。使用有限元方法分析了微动平台的位移放大比、轴间耦合、最大应力以及固有频率。最后通过实验对样机的位移放大比、轴间耦合与开环驱动分辨率进行了测试。建立了描述二维压电微动平台迟滞非线性特性与动力学特性的模型。分别使用Bouc-Wen模型和二阶传递函数模型作为Hammerstein模型的静态非线性部分与动态线性部分。在经典Bouc-Wen模型中引入了非对称项,用于描述压电驱动器的非对称迟滞现象;对非对称Bouc-Wen模型进行离散化,提高了模型的计算效率,并采用粒子群算法对Bouc-Wen模型参数进行了辨识。将微动平台的动力学模型简化为一个二阶系统,通过MATLAB系统辨识工具箱对微动平台的二阶传递函数模型参数进行了辨识。为了提高二维压电微动平台的定位精度与动态性能,设计了一种前馈与反馈复合的控制方法。使用基于逆非对称Bouc-Wen模型的前馈补偿控制器,对二维压电微动平台的迟滞进行抑制。针对微动平台存在的超调与残余振荡问题,根据脉冲响应法设计了ZVD输入整形器,对微动平台的超调与残余振荡进行了有效抑制。由于开环前馈补偿存在建模误差与不能补偿外部扰动的问题,使用PI控制器构成了闭环控制系统,并通过Ziegler-Nichols方法对控制器参数进行了整定。基于Simulink/Desktop Real-Time实时仿真环境搭建了实验平台,将所设计的控制方法应用到二维压电微动平台中,通过实验验证了该控制方法的有效性。

关键词：压电驱动桥式放大机构微动平台 Bouc-Wen模型迟滞补偿

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基于压电驱动的微定位平台研究

基于压电驱动的微定位平台研究

作者：王鹏举盐城工学院

学位级别：硕士

随着微纳技术在航空航天、纳米压印光刻、精密加工、生物工程等领域的广泛应用,各领域对定位系统提出了更高的技术要求,不仅要求定位精度达到纳米级,还要求实现大行程定位。压电陶瓷驱动器具有精度高、输出力大、体积小等优点,但输出位... 详细信息

随着微纳技术在航空航天、纳米压印光刻、精密加工、生物工程等领域的广泛应用,各领域对定位系统提出了更高的技术要求,不仅要求定位精度达到纳米级,还要求实现大行程定位。压电陶瓷驱动器具有精度高、输出力大、体积小等优点,但输出位移过小,需要借助柔性放大机构来增大输出位移。研究如何在纳米级的定位精度下实现跨尺度定位有着很重要的理论和现实意义。针对微定位平台高精度、大行程的要求,设计了两种应用于精密操作的微定位平台。本文的主要研究内容如下:1.详细介绍了压电陶瓷驱动器的工作原理和各项性能参数,设计了一种压电陶瓷驱动器预紧装置,实现预紧力的安全加载。通过实验对本文选用的压电陶瓷驱动器的迟滞、蠕变、非线性等固有特性做了测试研究,为后续微定位平台的设计和有限元仿真提供了理论依据。2.采用压电陶瓷为驱动元件、桥式放大机构为位移放大机构、复合平行四杆机构为导向机构,设计了一种新型两自由度并联式微定位平台。利用正交设计法对桥式放大机构的结构参数做了优化,同时推导出位移放大比和输入/输出刚度公式。对两自由度微定位平台的刚度、输出位移和固有频率进行设计计算,并使用ANSYS Workbench软件对微定位平台的位移放大比、最大应力、固有频率等静、动态特性进行有限元分析。3.采用参数优化后的桥式放大机构和半桥型放大机构,通过合理组合设计出三自由度微定位平台,该平台在两个平动自由度的基础上增加了一个绕Z轴转动的自由度。分析了平台的静态特性,并通过ANSYS Workbench软件对三自由度微定位平台进行最大输出位移、转动角度、轴间耦合误差、最大应力和固有频率等性能的仿真。4.基于理论分析和有限元仿真,采用电火花线切割加工出三自由度微定位平台样机,搭建实验系统对微定位平台进行测试。微定位平台在X方向输出的最大位移为86.52μm,放大倍数为4.76,轴间耦合误差率为1.62%,在Y方向输出的最大位移为134.28μm,放大倍数为7.37,轴间耦合误差率为1.91%,绕Z轴输出的转角为0.25°。结果表明微定位平台的设计方案具有可行性,符合预期要求,并将测试结果与有限元仿真结果进行对比,分析误差原因并提出相应改进办法。本研究课题所设计的微定位平台,采用压电陶瓷为驱动元件,桥式放大机构为位移放大机构,分布式柔性机构为导向机构,在兼顾定位精度的同时可以实现大行程,平台结构紧凑、响应速度快、解耦性能好,具有广阔的应用前景和现实意义。

关键词：压电陶瓷桥式放大机构正交设计有限元分析微定位平台

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微/纳传动平台沿坐标轴运动分析的键合图法

上海交通大学学报 2015年第9期49卷 1311-1318页

作者：林超纪久祥才立忠邵济明重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400030 上海市空间飞行器机构重点实验室上海201108

采用柔顺机构学、材料力学、伪刚体法、卡氏定理及键合图基本理论,结合6自由度微/纳传动平台的工作原理,建立了桥式放大机构及微/纳传动平台的伪刚体模型及该平台沿坐标轴移动的键合图模型,推导了桥式放大机构的输出刚度方程、平台移动... 详细信息

采用柔顺机构学、材料力学、伪刚体法、卡氏定理及键合图基本理论,结合6自由度微/纳传动平台的工作原理,建立了桥式放大机构及微/纳传动平台的伪刚体模型及该平台沿坐标轴移动的键合图模型,推导了桥式放大机构的输出刚度方程、平台移动的特征方程及状态方程.通过Matlab/Simulink求解仿真分析,获得了该平台沿坐标轴移动的位移仿真曲线及柔性铰链角位移仿真曲线.应用Ansys13.0,对该平台进行了运动仿真分析,搭建了实验平台,进行了试验测量,并对Smulink仿真值、有限元分析值及实验值进行了对比分析,其结果变化规律基本一致,验证了利用键合图方法分析微/纳传动平台移动特性的正确性及可行性,为全柔性机构的研究提供了新的有效的方法.

关键词：微/纳传动平台桥式放大机构伪刚体模型键合图 Simulink仿真

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光刻物镜波像差检测平台移相装置的研制

光子学报 2012年第12期41卷 1452-1455页

作者：齐克奇向阳中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室长春130033

针对基于剪切干涉原理的光刻投影物镜波像差检测设备中相移测量的需求,设计了一种移相装置.该装置采用了桥式放大机构,获得了较大放大比和相对紧凑的结构.从原理上对桥式放大机构进行了分析和讨论,得到了输入位移与其放大比之间的函数关... 详细信息

针对基于剪切干涉原理的光刻投影物镜波像差检测设备中相移测量的需求,设计了一种移相装置.该装置采用了桥式放大机构,获得了较大放大比和相对紧凑的结构.从原理上对桥式放大机构进行了分析和讨论,得到了输入位移与其放大比之间的函数关系,并得到了其关系曲线.经过非线性有限元分析,对该装置的变形、受力和模态特性进行了验证.验证结果满足检测平台移相要求.

关键词：光刻投影物镜波像差相移测量桥式放大机构有限元

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桥式柔顺微定位平台的设计、优化与实验研究

桥式柔顺微定位平台的设计、优化与实验研究

作者：杜志元山东大学

学位级别：硕士

微纳米尺度的精密定位与跟踪技术是精密加工、半导体制备、信息存储以及生物医学工程等众多领域的关键技术之一。压电陶瓷驱动的柔顺微定位平台,以其运动精度高、响应速度快等优点,成为目前国内外研究和关注的重点。然而由于压电陶瓷直... 详细信息

微纳米尺度的精密定位与跟踪技术是精密加工、半导体制备、信息存储以及生物医学工程等众多领域的关键技术之一。压电陶瓷驱动的柔顺微定位平台,以其运动精度高、响应速度快等优点,成为目前国内外研究和关注的重点。然而由于压电陶瓷直接输出位移较小,在相关领域的应用受到一定的限制。本论文分析了柔性铰链的变形机理和几种微位移放大机构的工作机理,设计了一种基于桥式放大机构的改进型柔顺微定位平台,对压电陶瓷驱动器的输出位移加以放大来增大微定位平台的工作行程。针对该微定位平台,开展了结构设计、理论建模、有限元仿真、参数优化和实验测试等方面的研究,具体研究工作如下：设计了一种基于桥式放大机构的改进型柔顺微定位平台。在分析位移放大机构及导向机构的基础上,采用放大能力强、结构紧凑的桥式机构对驱动器的输出位移进行放大,同时设计四杆对称式运动导向机构,以抑制寄生位移的影响,保证微定位平台的运动行程和定位精度。建立了更为精确的微定位平台的静／动力学模型。考虑负载对桥式机构的影响,基于卡式第二定理和应变能理论建立了以柔性铰链为主要特征的桥式机构静力学模型,基于欧拉-伯努利梁理论建立了四杆对称式运动导向机构的静力学模型。在此基础上,综合建立微定位平台的整体静力学模型,并应用拉格朗日方程,建立了该平台的动力学模型。通过与现有文献中的研究成果对比验证了本文所提出模型的精确性。采用有限元方法对微定位平台及其各组成机构的理论模型进行了仿真验证,包括放大机构的位移放大比,运动导向机构的刚度特性,以及微定位平台的静力学和动力学特性,同时对平台寄生位移的抑制效果进行了评价。提出了一种多目标综合优化方法优化设计平台结构参数。基于建立的静力学建模和动力学建模所得到的平台的性能指标(位移放大比和固有频率)与柔性铰链尺寸参数之间的函数关系。针对各性能指标之间的相互制约关系,采用统一目标函数法中的线性加权组合法,建立了柔顺微定位平台的多目标优化模型,对平台的静动态特性进行协调,进一步优化选取平台的尺寸参数。最后进行了微定位平台的实验测试。基于优化设计结果,加工了微定位平台实验样机,并搭建了微定位实验系统,对本文中建立的理论模型和有限元仿真结果进行了有效验证。针对压电陶瓷驱动器固有的迟滞非线性问题,设计了基于Prandtl-Ishlinskii(PI)逆模型的开环前馈补偿控制器,然而考虑到逆模型补偿由于过分依赖模型参数而在实际应用中往往存在补偿误差,引入基于混合灵敏度优化的H∞鲁棒控制策略,进一步改善平台的性能。

关键词：桥式放大机构柔顺微定位平台静/动力学建模多目标优化前馈-反馈混合控制