柔性定位平台的瞬态动力学分析及疲劳寿命分析

为提高超高加速度宏微运动平台完成定位工作时的安全性和精确性,以宏微运动平台的关键部件柔性定位平台为研究对象,探究宏微运动平台在微定位工况下对柔性定位平台疲劳寿命的影响。利用SolidWorks建立柔性定位平台的三维模型,在ANSYS Workbench进行静力分析和瞬态动力学分析,获得柔性定位平台危险点的位置及疲劳分析所用载荷谱。运用Goodman曲线评估方法对平台进行疲劳评估,得出的数据均在Goodman曲线框内,评估结果合理。最后利用nCode计算柔性定位平台的疲劳损伤和疲劳寿命,得出随着驱动频率的增加,柔性定位平台的疲劳寿命在降低的结论。研究结果对超精密定位平台的研究提供了参考。

考虑疲劳寿命和轻量化的柔性定位平台优化设计

以提高柔性定位平台的疲劳寿命、减轻柔性定位平台的质量为目的,对搭建的初始模型进行有限元分析并获得位移和应力云图,得到位移和应力随着载荷变化的趋势,通过疲劳分析获得最低寿命点的寿命。对柔性定位平台进行拓扑优化,根据优化后的结果对柔性定位平台重新建模,将优化前后模型相对比。结果显示:优化后的柔性定位平台提高了寿命,降低了质量。

三维桥式放大机构的柔性微定位平台的研究与改进

在微定位平台的设计中,引入能够产生高位移放大倍数的三维桥式放大机构,并在此基础上引入了能够有效减少输出端寄生位移的四杆对称式导向机构,从而使所设计的微定位平台能够充分结合二者优势。根据应变能理论、卡氏第二定理、拉格朗日定理,建立该微定位平台的静动态数学模型,理论分析了平台关键尺寸对平台位移放大倍数的影响;并通过计算获得了最优参数下的放大倍数和固有频率,其值分别为19.90和193.26 Hz。通过有限元方法验证了放大倍数和固有频率,其相对误差分别为4.3%和5.9%,从而证明了所改进的微定位平台的优越性能以及理论分析方法的准确性,为放大机构的柔性微定位平台的数学模型构建提供了一定的理论指导。

大行程柔性微定位平台的伴生转动分析

大行程柔性微定位平台在运动过程中不可避免地产生伴生转动现象,并对其定位精度造成消极影响。为降低伴生转动对平台定位精度的影响,提出一种基于柔性杆的三移一转(3-PPPR)型大行程柔性微定位平台,基于线弹性梁理论模型并考虑柔性杆轴向形变,对两移一转(PPR)柔性运动副伴生转角进行了理论建模,并基于此完成了对所提平台在单轴、双轴及三轴驱动时产生伴生转角的理论分析;再采用有限元分析对理论模型进行验证。最后探究了柔性杆尺寸参数与平台伴生转角之间的灵敏度关系,为所提平台性能提升奠定了基础,并据此提出了改善所提平台运动性能的优化方案。结果表明:3种驱动条件下平台伴生转角理论值与仿真值最大相对误差为2.46%。

一种新型的大行程XY柔性并联微定位平台

大行程高精度柔性并联微定位平台的需求与日俱增。提出了一种新颖的大行程XY柔性并联微定位平台,它具有镜面对称的结构和冗余约束特性,镜像对称结构能够很好地约束了面内寄生转角和交叉轴耦合,冗余约束在提高系统刚度的同时还降低了运动平台的质量。建立了柔性微定位平台的柔度矩阵模型,用于确定尺寸参数。最后,通过有限元模型分析,并与理论模型对比。结果显示本文所设计的柔性并联微定位平台具有如下特点:20mm×20mm的大运动行程,两运动轴之间具有较高的解耦度,很好地约束了面内寄生转角,其值小于17.76μrad。

3-PPP型柔性并联微定位平台的设计与分析

为解决现有空间平动柔性并联微定位平台(CPMS)结构布局不紧凑,且多轴驱动时各运动副的寄生运动相互累加,导致平台耦合误差增大的问题。首先,设计了一种基于柔性薄板的分布柔度式3-PPP型柔性并联微定位平台。其次,通过结构优化减小了平台的体积,并消除了支链中移动副寄生运动的累加现象。然后,基于柔度矩阵法建立了平台的输入刚度理论模型,并采用有限元仿真验证了理论模型的正确性;同时计算了平台的固有频率,并探究了其与柔性薄板尺寸参数之间的关系。最后,将结构优化前后的平台通过有限元仿真进行了对比分析。结果表明:结构优化后平台的体积减小了67%,且平台在单轴和多轴驱动时均具有更优的运动解耦特性和输入输出一致性。

考虑伴生转动的大行程柔性微定位平台

为研究大行程柔性微定位平台运动过程中伴生转动对其定位精度的影响,首先基于新型柔性运动副设计了一种运动解耦、低伴生转动的5-PPPR型柔性微定位平台;其次,基于矩阵法、线弹性梁变形理论、拉格朗日方程分别对其静、动态特性进行了理论分析,并对运动副及微定位平台的伴生转角进行了理论建模,继而探究了考虑伴生转动情况下平台输入、输出位移之间的关系;然后,通过有限元仿真对上述理论模型进行了验证,结果表明平台输入刚度、伴生转角及固有频率的理论与仿真值最大相对误差分别为2.20%、1.23%及1.98%,且考虑伴生转动情况下,x轴方向输出位移理论误差与不考虑伴生转动情况相比降低了94.63%;最后,对柔性微定位平台进行了灵敏度分析及参数优化,结果表明优化后微定位平台在相同驱动条件下伴生转角及丢失运动分别降低28.8%和21.5%,进一步提升了微定位平台的定位精度。