本文關鍵詞：柔順微夾鉗的設計及特性分析

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【摘要】：微納米技術的迅速發(fā)展,對微細操作提出了更高的需求,進而推動了微操作機器人的廣泛研究,微操作機器人外形尺寸不必太小,但能夠?qū)崿F(xiàn)微米甚至納米級的精密運動及操作,在精密機械工程、微電子裝配、微細加工、生命科學、遺傳工程、光纖對接和微創(chuàng)手術等領域發(fā)揮著重要作用。由壓電陶瓷驅(qū)動的柔順微夾鉗作為典型微操作系統(tǒng)的執(zhí)行末端,具有結(jié)構(gòu)緊湊、制造方便、易控制等特點,成為國內(nèi)外研究的熱點。因此,研究大位移輸出量、結(jié)構(gòu)緊湊、易控制的微夾鉗,對促進我國高精尖技術的發(fā)展具有深遠意義。本文依托于重慶大學機械傳動國家重點實驗室科研業(yè)務專項項目及上海市空間飛行器機構(gòu)重點實驗室開放課題,以易控制、大張合量的微夾鉗為設計目標,創(chuàng)新設計了三級放大柔順微夾鉗,并針對該微夾鉗開展了結(jié)構(gòu)設計、靜態(tài)分析、加工及試驗等研究。本文的研究內(nèi)容主要包括:應用柔順機構(gòu)學、精密儀器設計、機械原理、卡氏第二定理及材料力學等基本理論,研究了柔順機構(gòu)的組成及工作原理,設計了三級放大的柔順微夾鉗,建立了橋式放大機構(gòu)輸入及輸出剛度模型。應用偽剛體模型法、自由體圖解法、虛功原理等理論,建立了微/納傳動平臺及微夾鉗的偽剛體模型,分析了杠桿及平行導向機構(gòu)受力情況,推導了杠桿-平行導向機構(gòu)剛度模型及其位移放大比,確定了夾持力與輸入力之間的關系。應用鍵合圖理論,綜合分析了柔順機構(gòu)中典型構(gòu)件的鍵合圖模型,揭示了微/納傳動平臺及微夾鉗的運動規(guī)律,研究了橋式放大機構(gòu)及平行導向機構(gòu)能量的傳遞,建立了平臺及微夾鉗的鍵合圖模型,推導了其特征方程,并在此基礎之上進一步獲得了狀態(tài)方程。分析了柔順機構(gòu)的加工方法及材料選擇原則,并基于激光快速成型技術(3D打印)加工了柔順微夾鉗,利用Matlab/Simulink求解了平臺及微夾鉗的狀態(tài)方程,獲得了位移仿真曲線,搭建了微夾鉗試驗裝置,研究了微夾鉗輸入輸出性能,驗證了所建鍵合圖模型的正確性及其分析柔順機構(gòu)的可行性,并結(jié)合微操作系統(tǒng)闡述了所設計微夾鉗的實際工程應用。
【關鍵詞】：微夾鉗 鍵合圖 柔順機構(gòu) 壓電陶瓷驅(qū)動器
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH703
【目錄】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 緒論9-19
• 1.1 研究背景及意義9-10
• 1.2 微夾持器的研究現(xiàn)狀10-13
• 1.2.1 微夾持器國內(nèi)研究現(xiàn)狀10-12
• 1.2.2 微夾持器國外研究現(xiàn)狀12-13
• 1.3 基于壓電陶瓷驅(qū)動的微夾鉗的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-17
• 1.3.1 微夾鉗分類13-14
• 1.3.2 基于壓電驅(qū)動微夾鉗的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-17
• 1.4 本論文的主要研究內(nèi)容17
• 1.5 本章小結(jié)17-19
• 2 柔順機構(gòu)基本原理及鍵合圖理論19-31
• 2.1 自由體圖解法與虛功原理19-20
• 2.2 鍵合圖的基本概念20-22
• 2.3 柔順機構(gòu)中典型構(gòu)件22-30
• 2.3.1 柔性鉸鏈22-24
• 2.3.2 壓電陶瓷驅(qū)動器24-27
• 2.3.3 微位移放大機構(gòu)27-28
• 2.3.4 柔順平行導向機構(gòu)分析28-30
• 2.4 本章小結(jié)30-31
• 3 微夾鉗的結(jié)構(gòu)設計及靜力學特性分析31-45
• 3.1 柔順微夾鉗的結(jié)構(gòu)設計31-33
• 3.2 橋式放大機構(gòu)剛度分析33-36
• 3.2.1 輸入剛度33-35
• 3.2.2 輸出剛度35-36
• 3.3 杠桿-平行導向機構(gòu)剛度分析36-39
• 3.4 微夾鉗剛度及放大比39-42
• 3.4.1 輸入輸出剛度39-40
• 3.4.2 放大比40-42
• 3.5 微夾鉗夾持力分析42-44
• 3.6 本章小結(jié)44-45
• 4 鍵合圖理論在柔順機構(gòu)中的應用45-59
• 4.1 柔順機構(gòu)的鍵合圖模型45-46
• 4.2 柔順微/納傳動平臺的鍵合圖模型46-53
• 4.2.1 平臺偽剛體模型47-48
• 4.2.2 橋式放大機構(gòu)鍵合圖模型48-50
• 4.2.3 雙平行導向機構(gòu)鍵合圖模型50-51
• 4.2.4 平臺X/Y/Z向鍵合圖模型51-53
• 4.3 微/納傳動平臺X/Y/Z向移動狀態(tài)方程53-55
• 4.4 微夾鉗鍵合圖模型及狀態(tài)方程55-58
• 4.4.1 鍵合圖模型55-56
• 4.4.2 微夾鉗狀態(tài)方程56-58
• 4.5 本章小結(jié)58-59
• 5 柔順機構(gòu)加工、仿真與試驗59-81
• 5.1 材料的選擇59-60
• 5.2 加工方法60-66
• 5.2.1 電火花線切割60-61
• 5.2.2 激光快速成型61-64
• 5.2.3 激光快速成型技術加工微夾鉗64-66
• 5.3 有限元仿真及狀態(tài)方程求解66-73
• 5.3.1 微/納傳動平臺及微夾鉗的有限元仿真66-68
• 5.3.2 微/納傳動平臺及微夾鉗狀態(tài)方程求解68-73
• 5.4 試驗研究73-78
• 5.4.1 試驗裝置73-74
• 5.4.2 微/納傳動平臺的位移輸出試驗分析74-75
• 5.4.3 微夾鉗試驗分析75-78
• 5.5 微夾鉗的工程應用78-80
• 5.6 本章小結(jié)80-81
• 6 結(jié)論與展望81-83
• 6.1 全文總結(jié)81
• 6.2 后續(xù)工作與展望81-83
• 致謝83-85
• 參考文獻85-89
• 附錄89
• A. 作者在攻讀學位期間發(fā)表的論文目錄89
• B. 作者在攻讀學位期間參加的科研項目目錄89

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本文編號：749060