本文關(guān)鍵詞：橋式柔順微定位平臺(tái)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：微納米尺度的精密定位與跟蹤技術(shù)是精密加工、半導(dǎo)體制備、信息存儲(chǔ)以及生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的柔順微定位平臺(tái),以其運(yùn)動(dòng)精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),成為目前國(guó)內(nèi)外研究和關(guān)注的重點(diǎn)。然而由于壓電陶瓷直接輸出位移較小,在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用受到一定的限制。本論文分析了柔性鉸鏈的變形機(jī)理和幾種微位移放大機(jī)構(gòu)的工作機(jī)理,設(shè)計(jì)了一種基于橋式放大機(jī)構(gòu)的改進(jìn)型柔順微定位平臺(tái),對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的輸出位移加以放大來(lái)增大微定位平臺(tái)的工作行程。針對(duì)該微定位平臺(tái),開(kāi)展了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論建模、有限元仿真、參數(shù)優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)測(cè)試等方面的研究,具體研究工作如下：設(shè)計(jì)了一種基于橋式放大機(jī)構(gòu)的改進(jìn)型柔順微定位平臺(tái)。在分析位移放大機(jī)構(gòu)及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,采用放大能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊的橋式機(jī)構(gòu)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的輸出位移進(jìn)行放大,同時(shí)設(shè)計(jì)四桿對(duì)稱式運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu),以抑制寄生位移的影響,保證微定位平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)行程和定位精度。建立了更為精確的微定位平臺(tái)的靜／動(dòng)力學(xué)模型。考慮負(fù)載對(duì)橋式機(jī)構(gòu)的影響,基于卡式第二定理和應(yīng)變能理論建立了以柔性鉸鏈為主要特征的橋式機(jī)構(gòu)靜力學(xué)模型,基于歐拉-伯努利梁理論建立了四桿對(duì)稱式運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上,綜合建立微定位平臺(tái)的整體靜力學(xué)模型,并應(yīng)用拉格朗日方程,建立了該平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)與現(xiàn)有文獻(xiàn)中的研究成果對(duì)比驗(yàn)證了本文所提出模型的精確性。采用有限元方法對(duì)微定位平臺(tái)及其各組成機(jī)構(gòu)的理論模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,包括放大機(jī)構(gòu)的位移放大比,運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的剛度特性,以及微定位平臺(tái)的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性,同時(shí)對(duì)平臺(tái)寄生位移的抑制效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。提出了一種多目標(biāo)綜合優(yōu)化方法優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)。基于建立的靜力學(xué)建模和動(dòng)力學(xué)建模所得到的平臺(tái)的性能指標(biāo)(位移放大比和固有頻率)與柔性鉸鏈尺寸參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。針對(duì)各性能指標(biāo)之間的相互制約關(guān)系,采用統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)法中的線性加權(quán)組合法,建立了柔順微定位平臺(tái)的多目標(biāo)優(yōu)化模型,對(duì)平臺(tái)的靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行協(xié)調(diào),進(jìn)一步優(yōu)化選取平臺(tái)的尺寸參數(shù)。最后進(jìn)行了微定位平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。基于優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,加工了微定位平臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī),并搭建了微定位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)本文中建立的理論模型和有限元仿真結(jié)果進(jìn)行了有效驗(yàn)證。針對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器固有的遲滯非線性問(wèn)題,設(shè)計(jì)了基于Prandtl-Ishlinskii(PI)逆模型的開(kāi)環(huán)前饋補(bǔ)償控制器,然而考慮到逆模型補(bǔ)償由于過(guò)分依賴模型參數(shù)而在實(shí)際應(yīng)用中往往存在補(bǔ)償誤差,引入基于混合靈敏度優(yōu)化的H∞魯棒控制策略,進(jìn)一步改善平臺(tái)的性能。
【關(guān)鍵詞】：橋式放大機(jī)構(gòu) 柔順微定位平臺(tái) 靜/動(dòng)力學(xué)建模 多目標(biāo)優(yōu)化 前饋-反饋混合控制
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH703
【目錄】：

• 摘要11-13
• Abstract13-15
• 第1章 緒論15-23
• 1.1 課題來(lái)源15
• 1.2 課題研究背景及意義15-16
• 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-20
• 1.3.1 柔順微定位平臺(tái)的設(shè)計(jì)16-18
• 1.3.2 柔順微定位平臺(tái)的建模與優(yōu)化18-19
• 1.3.3 微定位系統(tǒng)的控制19-20
• 1.4 論文研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)20-23
• 第2章 橋式柔順微定位平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)23-35
• 2.1 引言23
• 2.2 柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)23-26
• 2.2.1 柔性鉸鏈簡(jiǎn)介23-24
• 2.2.2 柔性鉸鏈的建模24-26
• 2.3 微位移放大機(jī)構(gòu)26-30
• 2.3.1 杠桿放大機(jī)構(gòu)26-27
• 2.3.2 橋式放大機(jī)構(gòu)27-29
• 2.3.3 其他微位移放大機(jī)構(gòu)29-30
• 2.4 運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)30-31
• 2.5 平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)31-33
• 2.6 本章小結(jié)33-35
• 第3章 橋式微定位平臺(tái)的靜、動(dòng)力學(xué)模型35-53
• 3.1 引言35
• 3.2 微定位平臺(tái)的靜力學(xué)建模35-48
• 3.2.1 橋式放大機(jī)構(gòu)的建模35-41
• 3.2.2 運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的建模41-44
• 3.2.3 微定位平臺(tái)的整體靜力學(xué)模型44-48
• 3.3 微定位平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)建模48-52
• 3.3.1 微定位平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型48-50
• 3.3.2 微定位平臺(tái)的固有頻率50-52
• 3.4 本章小結(jié)52-53
• 第4章 微定位平臺(tái)的有限元仿真53-61
• 4.1 引言53
• 4.2 各組成機(jī)構(gòu)的性能分析53-57
• 4.2.1 橋式放大機(jī)構(gòu)的有限元仿真53-56
• 4.2.2 運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的有限元仿真56-57
• 4.3 微定位平臺(tái)的整體性能57-59
• 4.3.1 平臺(tái)的靜力學(xué)特性57-58
• 4.3.2 平臺(tái)的模態(tài)分析58-59
• 4.3.3 平臺(tái)的寄生位移抑制特性59
• 4.4 本章小結(jié)59-61
• 第5章 微定位平臺(tái)的參數(shù)優(yōu)化61-71
• 5.1 引言61
• 5.2 微定位平臺(tái)的尺寸約束條件61-63
• 5.2.1 微定位平臺(tái)的剛度約束61-62
• 5.2.2 微定位平臺(tái)的應(yīng)力約束62-63
• 5.3 微定位平臺(tái)的參數(shù)優(yōu)化63-68
• 5.3.1 微定位平臺(tái)的單目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化63-66
• 5.3.2 微定位平臺(tái)的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化66-68
• 5.4 微定位平臺(tái)優(yōu)化前后性能對(duì)比68-70
• 5.5 本章小結(jié)70-71
• 第6章 微定位平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與控制算法設(shè)計(jì)71-87
• 6.1 引言71
• 6.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介71-74
• 6.2.1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)72
• 6.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器72-74
• 6.3 微定位平臺(tái)開(kāi)環(huán)特性74-77
• 6.3.1 位移放大比實(shí)驗(yàn)74-75
• 6.3.2 動(dòng)力學(xué)分析75-77
• 6.4 微定位系統(tǒng)的非線性控制77-83
• 6.4.1 基于模型的前饋補(bǔ)償控制77-80
• 6.4.2 前饋反饋混合控制方案80-83
• 6.5 微定位系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)效果83-84
• 6.6 本章小結(jié)84-87
• 總結(jié)與展望87-89
• 參考文獻(xiàn)89-93
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)成果93-95
• 致謝95-96
• 學(xué)位論文評(píng)閱及笞辯情況表96

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本文編號(hào)：917276