精密柔性并联指向机构的优化设计与系统研制

发布时间：2017-04-07 06:53

  本文关键词：精密柔性并联指向机构的优化设计与系统研制，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着精密工程的快速发展，指向机构广泛应用于激光通信、天线指向、天文望远镜、红外跟踪和瞄准系统中，且对少自由度、高精密的指向机构的需求越来越大。为了保证任务实施的准确性和可靠性，本文设计的指向机构需要满足如下要求：重复转动精度达到1rad，角位移达到100rad和角分辨率达到0.1rad，在此基础上展开以下工作。 由于并联机构具有精度高、刚度高、承载能力大、动态特性好等优势，广泛应用于超精密机构中。柔性铰链通过材料的弹性变形实现高精度的运动，具有无间隙、无摩擦、无需润滑的特性，被用来代替传统的刚性运动副。采用叠堆压电陶瓷驱动器可以保证系统高的分辨率、精度和稳定性。所以本文设计的机构采用柔性铰链作为被动关节，并联机构作为主要构型，通过六个独立的压电陶瓷驱动器来调整指向运动平台的位姿。 柔性铰链作为系统中的关键部件，利用Castigliano定理和Labotto积分方程，建立了柔性铰链的力学模型，推导出末端节点和转动中心的柔度矩阵。在提出3个评价柔性铰链性能优劣的指标（转动能力、相对柔度和相对转动误差）的基础上，对几种不同截面（V型、双曲线型、抛物线型、椭圆型、圆角直梁型）柔性铰链进行了性能比较分析，得出圆角直梁型柔性铰链的机械特性和加工性更为优越。从而设计一种新型圆角直梁型柔性铰链，通过分析3个结构参数(r0、d和l)以及加工误差参数(η)对评价指标的影响，得出各参数的优化区域。通过对比实验结果、有限元分析结果以及理论求解值，得出相对误差在5%以内，从而验证了力学模型的正确性。 在建立机构运动学的基础之上，对并联机构的结构参数进行多目标优化，以机构的工作空间和运动分辨率为优化目标，采用非支配遗传算法(NSGA-II)进行优化，并通过权函数对优化种群遍历，从而获取最优解，验证了设计的机构在理论上满足角位移和角分辨率的要求。针对理论设计的结构，对机构的工作空间、刚度、强度以及模态进行了评估，验证了机构的可行性。 最后，根据设计结果搭建机械系统，设计的控制器对陶瓷进行闭环控制，最终的指向系统实现了驱动、机构、检测一体化的整体集成。根据测量方案，，完成对相关测试点的性能测试实验，验证了最终加工的并联指向机构能够满足初始设定的性能指标。
【关键词】：精密指向机构 并联机构 柔性铰链 压电驱动 机构优化设计
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH112
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题研究的背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-17
• 1.2.1 空间指向机构的发展及国内外研究现状10-12
• 1.2.2 并联机构的发展及国内外研究现状12-14
• 1.2.3 柔性铰链及压电驱动的发展及国内外研究现状14-17
• 1.3 主要研究内容17-18
• 第2章 柔性铰链的结构设计与运动特性分析18-34
• 2.1 引言18
• 2.2 全向柔性铰链的力学模型18-21
• 2.3 柔性铰链的评价指标21-22
• 2.4 几种柔性铰链的性能比较22-26
• 2.5 圆角直梁型柔性铰链的尺寸优化26-30
• 2.6 圆角直梁型柔性铰链的仿真与实验验证30-33
• 2.7 本章小结33-34
• 第3章 并联指向机构的参数优化与性能分析34-47
• 3.1 引言34
• 3.2 并联指向机构的结构设计34-36
• 3.3 并联机构运动学模型的建立36-37
• 3.4 并联指向机构的参数优化37-42
• 3.4.1 优化问题的定义38-39
• 3.4.2 优化问题的求解39-41
• 3.4.3 最优解的提取41-42
• 3.5 并联指向机构的性能分析42-46
• 3.6 本章小结46-47
• 第4章 实验系统构建与实验验证47-56
• 4.1 引言47
• 4.2 并联指向机构的机械系统构建47-48
• 4.3 并联指向机构的控制系统设计48-50
• 4.4 并联指向机构性能测试实验50-55
• 4.5 本章小结55-56
• 结论56-58
• 参考文献58-62
• 攻读学位期间发表的学术论文62-64
• 致谢64

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5 ;《CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING》(中国机械工程学报,原《机械工程学报》英文版)2009年第22卷第6期目次、摘要预告[J];机械工程学报;2009年12期

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9 王纪武,陈恳,李嘉,刘峰;典型柔性铰链精度性能的研究[J];清华大学学报(自然科学版);2001年11期

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