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随着超精密加工、微电子等工程领域不断发展,这些领域对精密定位技术的要求不断提高,迫切需要具有更精度和稳定性的微位移精密定位平台。微位移精密定位平台一般由驱动器、传感器、柔顺机构和控制系统组成。柔顺机构是一种以柔性铰链的弹性变形来实现机构运动和力传递的免装配机构。本论文设计了一种以压电陶瓷驱动、基于柔顺机构的平面两自由度微位移精密定位平台,并进行了相关的仿真分析和试验研究。
本文首先对正圆型柔性铰链和梁式柔性铰链的转动刚度特性进行了比较,通过分析确定以梁式柔性铰链设计定位平台。提出了基于柔顺机构的微位移定位平台整体式的设计,对定位平台的结构进行了优化设计。建立了以平台输出位移最大为目标,综合考虑定位平台柔性铰链的强度、固有频率、工作尺寸等约束条件的最优化设计模型。通过最优化方法,得到了平面两自由度微位移定位平台的理论最优化结构,结合实际加工条件确定加工尺寸。建立了定位平台有限元分析模型,采用有限元法对定位平台进行了静力学和动力学仿真,静力学仿真研究了各个运动方向上驱动器输入与定位平台目标输出、耦合输出的关系;动力学仿真研究了定位平台的固有频率和相应振型。通过有限元仿真进一步验证了理论分析的准确性。
基于设计分析,研制了定位平台。采用激光干涉仪对定位平台定位精度进行测量,通过试验方法修正了定位平台输入输出关系,实测的结果表明重复定位精度满足设计要求。采用试验模态分析的方法,对定位平台的固有频率进行了测试。试验结果与仿真分析结果良好的吻合,从而验证了理论设计的有效性。