【摘要】：在光波導(dǎo)器件連接和封裝過(guò)程中,需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何提高精度,實(shí)現(xiàn)連接封裝過(guò)程的自動(dòng)化,這對(duì)大行程、多自由度精密定位工作臺(tái)提出了需求。已有裝備采用電磁電機(jī)經(jīng)絲杠驅(qū)動(dòng)六自由度工作臺(tái)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)陣列光纖與光波導(dǎo)器件的對(duì)準(zhǔn)。由于傳動(dòng)鏈較長(zhǎng),致使系統(tǒng)剛度低,響應(yīng)慢,系統(tǒng)精度難以進(jìn)一步提升,只能依靠其它驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行更高精度的補(bǔ)償,這使系統(tǒng)對(duì)作動(dòng)器的控制難度增加。另外,工作臺(tái)自身的導(dǎo)向精度也是限制對(duì)準(zhǔn)精度進(jìn)一步提高的關(guān)鍵因素。本文提出了具備多種工作模式、大行程、快響應(yīng)和高精度特點(diǎn)的壓電電機(jī),作為串并混聯(lián)六自由度精度定位平臺(tái)的作動(dòng)器,進(jìn)而構(gòu)建基于壓電作動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)的六自由度高精密定位平臺(tái),其具體設(shè)計(jì)目標(biāo)是具備連續(xù)大行程工作范圍和高精度定位能力,平動(dòng)定位精度為1μm,轉(zhuǎn)動(dòng)定位精度為0.0005°。首先,設(shè)計(jì)了柔性正交式、柔性杠桿式和柔性菱形式三種不同結(jié)構(gòu)的非共振式壓電作動(dòng)機(jī)構(gòu),提出了連續(xù)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)兩種作動(dòng)模式,分別滿(mǎn)足較遠(yuǎn)距離高速運(yùn)動(dòng)和臨近目標(biāo)精確定位要求。另一方面,面向柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)參數(shù)展開(kāi)了參數(shù)化設(shè)計(jì)研究,提出了新的結(jié)構(gòu)參數(shù)ε和柔度參數(shù)λ,詳細(xì)探討了參數(shù)ε對(duì)柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)柔度的影響機(jī)制,以及參數(shù)λ-ε的之間的影響關(guān)系。在此基礎(chǔ)上面向三種不同結(jié)構(gòu)的壓電作動(dòng)機(jī)構(gòu)展開(kāi)了不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究,并采用多種方法驗(yàn)證了其優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性,最后對(duì)三種壓電作動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,優(yōu)化后的三種柔性壓電直線(xiàn)作動(dòng)機(jī)構(gòu)有效的提升了步進(jìn)作動(dòng)的分辨率,具有高精度的運(yùn)動(dòng)分辨率和穩(wěn)定的宏觀(guān)連續(xù)運(yùn)動(dòng)能力,能夠直接應(yīng)用到多自由度精密定位平臺(tái)中。其次,在對(duì)比了串聯(lián)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)之后,采用2T1R串聯(lián)平臺(tái)+2R1T并聯(lián)平臺(tái)的構(gòu)型,設(shè)計(jì)了串聯(lián)與并聯(lián)混合構(gòu)型的六自由度精密定位平臺(tái);其中3-DOF并聯(lián)平臺(tái)采用3條斜面牽引并聯(lián)支路對(duì)稱(chēng)布置結(jié)構(gòu)方案,設(shè)計(jì)了大行程圓柱柔性鉸鏈,提出了基于模糊優(yōu)化算法的圓柱柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,構(gòu)建了基于大行程圓柱柔性鉸鏈的3-DOF并聯(lián)平臺(tái)剛度模型,分析了大行程圓柱柔性鉸鏈在3-DOF并聯(lián)平臺(tái)中的有效性和可靠性。另一方面,構(gòu)建了6-DOF混聯(lián)精密定位平臺(tái)的完整運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型,借助于齊次坐標(biāo)變換方法給出了6-DOF混聯(lián)精密定位平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)位姿正反解;利用拉格朗日動(dòng)力學(xué)模型給出了動(dòng)力學(xué)廣義驅(qū)動(dòng)力的求解模型;最后采用多剛體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)所構(gòu)建的6-DOF混聯(lián)精密定位平臺(tái)開(kāi)展了仿真研究,仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的6-DOF混聯(lián)精密定位平臺(tái)具有較好的運(yùn)動(dòng)學(xué)能力,在給定外力(力矩)條件下可以實(shí)現(xiàn)大行程工作空間范圍內(nèi)的宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)與定位,滿(mǎn)足6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)要求。最后,搭建了面向6-DOF混聯(lián)精密定位平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法,開(kāi)展了步進(jìn)作動(dòng)模式實(shí)驗(yàn)研究和連續(xù)作動(dòng)模式實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在步進(jìn)作動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,X軸平動(dòng)的步進(jìn)分辨率為1.2μm,Y軸平動(dòng)的步進(jìn)分辨率為1.4μm,Z軸平動(dòng)的步進(jìn)分辨率為1.0μm;X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)分辨率為8.6μrad,Y_U軸和Y_V軸轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)分辨率分別為11μrad和10μrad,Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)分辨率為3μrad;在連續(xù)作動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,X軸平動(dòng)的宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)速度為1.82mm/s,Y軸平動(dòng)的宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)速度為1.89mm/s,Z軸平動(dòng)的宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)速度為312μm/s;X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)角速度為29000μrad/s,Y_U軸和Y_V軸轉(zhuǎn)動(dòng)的宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)角速度分別為29400μrad/s和28000μrad/s,Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)角速度為26400μrad/s。各軸的平動(dòng)定位分辨率和轉(zhuǎn)動(dòng)定位分辨率已基本達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo);各軸的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的工作行程區(qū)間均已實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。另一方面,對(duì)6-DOF混聯(lián)精密定位平臺(tái)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)誤差影響因素分析,給出了各軸的運(yùn)動(dòng)誤差棒分析圖,對(duì)于進(jìn)一步提高所設(shè)計(jì)的6-DOF混聯(lián)精密定位平臺(tái)的定位精度和運(yùn)動(dòng)性能具有指導(dǎo)意義。本研究課題所設(shè)計(jì)的6-DOF混聯(lián)精密定位平臺(tái),采用非共振式壓電直線(xiàn)電機(jī)直接作為各軸運(yùn)動(dòng)的作動(dòng)機(jī)構(gòu),顯著縮短了傳動(dòng)鏈,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)控制方式,也有利于提高定位平臺(tái)的作動(dòng)響應(yīng)速度;利用非共振式壓電直線(xiàn)電機(jī)的步進(jìn)作動(dòng)模式和連續(xù)作動(dòng)模式,即可實(shí)現(xiàn)6-DOF混聯(lián)精密定位平臺(tái)高精度微動(dòng)與大行程宏動(dòng),具有廣闊的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN25;TH703
【圖文】：

基于壓電驅(qū)動(dòng)的六自由度混聯(lián)精密定位平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究制難度較高。此外，采用共振式壓電電機(jī)的作動(dòng)系統(tǒng)在接近目標(biāo)位置時(shí)通常采用脈沖激現(xiàn)高分辨率的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，因此，作動(dòng)精度取決于最小步距。這類(lèi)壓電電機(jī)在國(guó)外已經(jīng)產(chǎn)品產(chǎn)品有 PI 公司的 P-661 型直線(xiàn)電機(jī)（如圖 1.1），其開(kāi)環(huán)步距為 50nm，最大速度mm/s[50]，同類(lèi)產(chǎn)品還有 Elliptec 公司產(chǎn)品（如圖 1.2）、nanomotion 公司的系列產(chǎn)品（如圖韓國(guó) piezoelectric technology 公司的系列產(chǎn)品（如圖 1.4）[55]。

基于壓電驅(qū)動(dòng)的六自由度混聯(lián)精密定位平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究制難度較高。此外，采用共振式壓電電機(jī)的作動(dòng)系統(tǒng)在接近目標(biāo)位置時(shí)通常采用脈沖激現(xiàn)高分辨率的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，因此，作動(dòng)精度取決于最小步距。這類(lèi)壓電電機(jī)在國(guó)外已經(jīng)產(chǎn)品產(chǎn)品有 PI 公司的 P-661 型直線(xiàn)電機(jī)（如圖 1.1），其開(kāi)環(huán)步距為 50nm，最大速度mm/s[50]，同類(lèi)產(chǎn)品還有 Elliptec 公司產(chǎn)品（如圖 1.2）、nanomotion 公司的系列產(chǎn)品（如圖韓國(guó) piezoelectric technology 公司的系列產(chǎn)品（如圖 1.4）[55]。

基于壓電驅(qū)動(dòng)的六自由度混聯(lián)精密定位平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究制難度較高。此外，采用共振式壓電電機(jī)的作動(dòng)系統(tǒng)在接近目標(biāo)位置時(shí)通常采現(xiàn)高分辨率的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，因此，作動(dòng)精度取決于最小步距。這類(lèi)壓電電機(jī)在國(guó)外型產(chǎn)品有 PI 公司的 P-661 型直線(xiàn)電機(jī)（如圖 1.1），其開(kāi)環(huán)步距為 50nm，mm/s[50]，同類(lèi)產(chǎn)品還有 Elliptec 公司產(chǎn)品（如圖 1.2）、nanomotion 公司的系列產(chǎn)和韓國(guó) piezoelectric technology 公司的系列產(chǎn)品（如圖 1.4）[55]。圖 1.1 PI 公司的 P-661 型壓電電機(jī) 圖 1.2 Elliptec 公司壓電電機(jī)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2776562