基于对称型柔顺铰链的三自由度微定位平台设计与分析

通过对一种新型柔顺铰链进行分析,设计一种基于对称型柔顺铰链的三自由度微定位平台。首先,采用ANSYS有限元方法,对一种新型柔顺铰链的输入力和输出位移间的关系进行分析。根据分析结果,通过优化设计得出一种对称型柔顺铰链。然后,设计一种基于该对称型柔顺铰链三自由度微定位平台,并对设计的微定位平台进行理论分析和有限元分析,得出其输入输出位移关系,而且理论分析和仿真分析结果基本吻合。同时,采用基于理论分析模型的仿真分析修正方法对微定位平台的传递传递函数矩阵进行修正,提高微定位平台的定位精度。此外,分析了该微定位平台的应力变形,确定了其所选材料的力学性能指标符合设计要求。结果表明,该微定位平台能够符合大多数精密领域的需求,在精密定位领域具有一定的应用前景。     

柔性铰链微定位平台的设计

设计了一种以平行板铰链机构进行导向,以桥式机构进行位移放大的新型压电陶瓷驱动微定位平台。应用弹性力学和材料力学理论建立该平台的桥式放大机构和平行板铰链机构的理论模型,分析了平台的驱动力、输出位移、刚度和固有频率,并运用Matlab软件优化了桥式机构铰链长度、厚度,平行板铰链长度及厚度等几何参数,获得了微定位平台的最优值。对优化后的结果进行了有限元仿真,并搭建了测试系统对平台性能进行了测试。测试结果显示,理论分析与实验结果的最大误差为9.8%,有限元分析与实验结果的最大误差为4.2%,得到的结果验证了理论分析和有限元分析的正确性,实现了平台体积小,放大倍数高,位移输出大的设计目标。     

一种3自由度精密微定位平台的设计与分析

高精度的微定位平台是精密定位技术研究的重要内容之一。采用柔顺机构作为微定位机构及压电陶瓷作为驱动器,设计了一种3自由度精密微定位平台。首先,对设计的微定位平台进行了理论分析,得出了该平台的理论输入与输出关系,同时确定了其行程范围。然后,采用ANSYS有限元方法对该平台在给定输入情况下的变形进行了分析,并对其输出位移进行了仿真。分析结果表明,设计的3自由度微定位平台理论分析结果和仿真分析结果基本吻合。最后,根据分析结果,制作了微定位平台样机。这种高精度的微定位平台在精密定位领域有着广泛的应用前景。     

一种新型的三自由度电动平台平衡结构模型

提出了一种基于三自由度并联机构的电动平台平衡构造设计。相比传统的液压结构平台,提出的电动平台由3个互相独立的电动缸和各自的刚性支杆链接组成,每个电动缸相对于整个平台机架具有2个自由度。同时针对机架受力分布特性,用力学传递方程量化力学性能,仿真数据结果表明:提出的三自由度电动平台比目前常用的电动平台和传统的液压平台具有更大的空间均衡性和静态力学性能。     

直梁圆角形柔性铰链的柔度矩阵分析

对直梁圆角形柔性铰链的柔度矩阵进行了研究。首先,基于悬臂梁理论推导了直梁圆角形柔性铰链平面内变形的解析计算方法,建立了柔性铰链平面内柔度矩阵的闭环解析模型,并给出了rt(r为铰链圆角半径,t为铰链厚度)时柔度矩阵的简化计算公式。然后,建立了直梁圆角形柔性铰链的有限元模型,得到了柔性铰链结构参数r/t和l/t(l为铰链长度）变化时柔度矩阵解析值和有限元仿真值的相对误差,以及r/t变化时柔度矩阵简化解析值和仿真值的相对误差。结果表明:采用悬臂梁理论建立的柔性铰链柔度矩阵模型,当l/t≥4时,柔度矩阵各项参数的理论解析值与有限元仿真值相对误差在5.5%以内,当0.1≤r/t≤0.5时,两者的相对误差能够控制在9%以内,当0.2≤r/t≤0.3时,两者的相对误差能够控制在6.5%以内;当r/t≤0.3时,简化解析值与仿真值的相对误差控制在9%以内, 当r/t≤0.2时,简化解析值与仿真值的相对误差控制在7%以内,从而验证了柔度矩阵闭环解析模型的正确性。建立的直梁圆角形柔性铰链柔度矩阵闭环解析模型可为柔性铰链以及柔性体机构的设计和优化提供理论依据。     

平面三自由度并联机构动力学性能研究

采用凯恩方法建立平面三自由度并联机构的动力学方程。为了量化机构的动力学性能,基于操作空间的惯性矩阵,给出机构加速性能评价指标,机构高速运行时,转动关节会引起较大的离心力和哥氏力,又给出高速性能指标。进而研究两种指标在工作空间的分布情况,得到它们在工作空间的等高线图,分析关节驱动力矩沿等高线的变化规律。结果表明,两种性能指标在工作空间的分布具有相似性,在拟定机构工作空间时可以兼顾加速性能和高速性能,并使得机构的工作空间和动力学性能达到均衡,为应用于高加速度和高速作业的机器人机构的工作空间确定和动力学优化设计提供参考。     

三自由度转动平台的运动学建模

从三自由度转动平台系统构成出发,运用机器人运动学分析方法,对转动平台进行了机构分析,推导出各构件的运动学关系.从而建立了该机构的运动学数学模型.     

一种三自由度平台正、反解计算及工作空间分析

研究了一种并联机构的三自由度平台位姿正解和反解算法。位置正解是通过驱动器长度计算动平台的位姿,位置反解是通过动平台的位姿反求驱动器长度。同时利用正解方法分析三自由度平台的运动规律和工作空间,该研究结果为三自由度平台的结构设计和运动控制提供有力的依据。     

开放式三自由度并联机器人机构实验平台的研究和展望

随着并联机器人技术的发展，具有三自由度的并联机器人机构也得到越来越广泛的研究和应用。本文对我们白行设计的开放式三自由度并联机器人机构实验平台的基本结构、运动控制和仿真作了较为全面的介绍，并着重分析了实验平台的开放性。该实验平台很适合作多种三自由度机器人机构的综合和比较研究，针对此类机构的进一步研究对实际应用有着重要意义。     

新型三自由度微操作平台的动力学性能研究

提出了一种新型三自由度柔性并联微操作平台,该平台采用压电陶瓷驱动器为驱动装置,以新型二级杠杆放大机构作为放大器来扩大压电陶瓷驱动器的输出行程,在功能上可以实现X轴、Y轴以及Z轴方向的微米范围内移动。首先通过拉格朗日方程建立了该三自由度柔性并联微操作平台的动力学模型,然后计算了该机构的理论固有频率,最后采用有限元软件对该微操作平台进行了模态分析。结果表明该机构的理论固有频率与有限元仿真分析中的第一阶模态结果相比其误差率仅为2.54%,验证了固有频率理论分析的正确性及可行性。     

基于柔性铰链微位移放大机构的设计和分析

针对三级电反馈射流管电液伺服阀第三级滑阀阀芯行程较小,位移传感器较难检测的问题,提出了应用于三级电反馈射流管电液伺服阀的柔性铰链微位移放大器,利用解析法和有限元法对柔性铰链微位移放大机构进行了静力学和动力学分析,计算出了放大机构的放大倍数和输入刚度;输出位移和负载成线性关系,负载越大位移损失越大;应力分析表明此放大机构的最大应力远小于材料的最大许用应力;并通过有限元对固有频率和振型的计算,得出系统动力学参数。     

压电驱动三自由度柔顺精密定位平台研究

设计了一种由压电陶瓷驱动的整体式平面3-PRR柔顺并联定位平台,平台每条支链采用半圆型柔性转动铰链和直角型柔性直线铰链代替传统的转动副和移动副,消除了传统机构的铰链配合间隙和摩擦,通过Ansys软件对两种铰链进行了刚度分析,并在支链的输入端设计了柔性杠杆位移放大机构以提高平台的工作空间。基于“伪刚体模型法”建立了柔顺定位平台的运动学模型,采用Ansys软件对柔顺并联平台进行有限元分析,得到其静力学特性,最后搭建了平台测试实验系统进行了验证实验。通过运动学模型解析结果和有限元仿真结果与实验结果对比,得到在x方向、y方向和转动角φp的最大误差分别为10.81%,9.66%和9.79%,验证了运动学理论模型建模方法的可行性。     

基于视觉的三自由度微动平台输入耦合研究

为了提高精密微动平台的定位精度,提出了一种计算微动平台输入耦合位移系数的实验方法.构建显微视觉测量系统,以柔顺铰链式平面三自由度微动平台为研究对象,实时跟踪测量微动平台输入位移；对平台与图像之间的坐标系进行标定,有效提高了平台的输入位移和耦合位移的测量精度.实验表明,基于显微视觉的测量结果与Ansys模拟仿真结果相符,对微动平台的分析与设计具有一定的参考意义.     

六自由度微位移定位平台的设计与试验

压电叠堆与柔性机构构成了微位移的基本形式,其行程与精度、输出力的矛盾需要结合应用要求对结构进行综合设计。针对所构建的超精密加工工具对六自由度微位移的需求,提出了一种以压电叠堆作为驱动元件,以柔性铰链和楔形机构作为传动机构的空间六自由度微位移定位平台。由于压电叠堆需要一定的预紧力才能发挥其微位移精度和输出力的优势,通过静力分析,得出了微位移平台各个自由度驱动力和位移输出关系的表达式及刚度表达式,对结构进行了优化。试验表明,各自由度的行程与分辨率如下:x,y,z方向的最大位移分别为7.48,8.33和4.14μm,分辨率为0.01μm;沿θ_x,θ_y,θ_z方向的最大旋转角度均为0.13°,分辨率为0.01°,满足所构建的超精密加工工具定位的精度要求。试验获得了微位移定位平台的激励电压与各自由度位移输出曲线,为平台的运动、定位控制提供了依据,也为柔性铰链机构和楔形机构在其他结构中的应用提供了理论依据和试验基础。     

用于六自由度纳米微动台的位移传感器研制

为测量六自由度纳米微动台的运动,研制了基于光纤微弯原理的位移传感器。设计了新颖的光纤微弯调制结构,利用补偿光纤消除了光源波动对测量精度的影响。实验证明位移传感器的测量精度为±0.048μm,位移分辨率为10 nm,显著优于同原理的其他位移传感器。     

3自由度桑性并联机器人的实验研究

柔性臂在运动过程中不可避免的产生弹性振动,其末端轨迹便在理想轨迹附近振动.利用采用两种方法对3-RRR柔性并联机器人动平台轨迹进行测量:3D光学测量仪OPTOTRAK,以及基于线尺传感器的数据采集系统,并对实验结果进行了对比.     

平面三自由度微动工作台的输入耦合分析

基于线性分析理论，建立了柔性铰链式平面三自由度精密定位平台的分析模型；提出了一种计算该类工作台输入耦合的线性求解方法，该方法具有求解简便和计算量小等优点；针对微动工作平台的特点建立了有限元分析模型，通过有限元仿真，验证了线性法的正确性；讨论了有关参数对工作台输入耦合的影响程度，给出了对输入耦合有较大影响的设计参数。研究结果对设计低耦合输入微动工作平台具有指导意义。     

具有四自由度二元弹性机翼颤振特性研究

考虑机翼的弹性体结构特征,采用多项式函数假设形态法建立了二元机翼的弯曲和扭转形态,基于瑞利能量法推导了弹性机翼的动力学方程。利用特征值法获得弹性机翼在某一风速下的精确数值解,以及利用MATLAB软件获得弹性机翼不同风速下的频率、阻尼趋势图以及临界颤振速度特性。分析结果表明:与刚性机翼相比,具有四个自由度的弯曲和扭转形态的弹性机翼,能更加准确地反映其在实际飞行过程中的振动动态特性,且理论数值解与模拟分析解完全相同,从而验证了理论分析的正确性。     

小型三自由度并联平台主轴协调控制系统

三自由度精密平台在精密加工领域有广泛的应用,本文针对用于金刚石刀具研磨过程中二次定位调整平台的控制系统进行设计.结合并联平台的结构特点,采用数字增量脉冲协调多台步进电机运转的控制,该方法均匀分配三个主轴步进电机控制脉冲,实现三个主轴的协调运转.通过采集三个步进电机的控制脉冲波形和平台执行情况来验证系统控制效果,实验表明该系统实现控制脉冲均匀分配,平台运行平稳.     

三维压电微动平台的结构设计与实验测试

为了使微动平台能获得结构简单、性能良好、结构新颖的特点,本课题应用柔性并联结构设计了一种新结构的微动平台。首先,采用直角柔性薄板结构,对微动平台进行了结构设计,所设计平台既可实现x、y方向的平动,又可实现绕z方向的转动,并且具有宽阔的工作台面;然后,基于直梁弯曲变形原理,进行柔性薄板力学模型分析;应用-欧拉方程运动原理列出微动平台力学方程,并计算微动平台的刚度,确定微动平台结构;最后,对微动平台进行实验验证,实验结果表明:设计的微动平台,输出位移大;固有频率高。