精密柔性并聯(lián)指向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與系統(tǒng)研制.pdf

1、隨著精密工程的快速發(fā)展,指向機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于激光通信、天線指向、天文望遠(yuǎn)鏡、紅外跟蹤和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中,且對少自由度、高精密的指向機(jī)構(gòu)的需求越來越大。為了保證任務(wù)實(shí)施的準(zhǔn)確性和可靠性,本文設(shè)計(jì)的指向機(jī)構(gòu)需要滿足如下要求:重復(fù)轉(zhuǎn)動精度達(dá)到,角位移達(dá)到和角分辨率達(dá)到,在此基礎(chǔ)上展開以下工作。
　　由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有精度高、剛度高、承載能力大、動態(tài)特性好等優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用于超精密機(jī)構(gòu)中。柔性鉸鏈通過材料的彈性變形實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動,具有無間隙、無摩擦

2、、無需潤滑的特性,被用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性運(yùn)動副。采用疊堆壓電陶瓷驅(qū)動器可以保證系統(tǒng)高的分辨率、精度和穩(wěn)定性。所以本文設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)采用柔性鉸鏈作為被動關(guān)節(jié),并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為主要構(gòu)型,通過六個獨(dú)立的壓電陶瓷驅(qū)動器來調(diào)整指向運(yùn)動平臺的位姿。
　　柔性鉸鏈作為系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件,利用Castigliano定理和Labotto積分方程,建立了柔性鉸鏈的力學(xué)模型,推導(dǎo)出末端節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)動中心的柔度矩陣。在提出3個評價柔性鉸鏈性能優(yōu)劣的指標(biāo)(轉(zhuǎn)動能力、相對柔

3、度和相對轉(zhuǎn)動誤差)的基礎(chǔ)上,對幾種不同截面(V型、雙曲線型、拋物線型、橢圓型、圓角直梁型)柔性鉸鏈進(jìn)行了性能比較分析,得出圓角直梁型柔性鉸鏈的機(jī)械特性和加工性更為優(yōu)越。從而設(shè)計(jì)一種新型圓角直梁型柔性鉸鏈,通過分析3個結(jié)構(gòu)參數(shù)(r0、d和l)以及加工誤差參數(shù)，對評價指標(biāo)的影響,得出各參數(shù)的優(yōu)化區(qū)域。通過對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果、有限元分析結(jié)果以及理論求解值,得出相對誤差在5％以內(nèi),從而驗(yàn)證了力學(xué)模型的正確性。
　　在建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)的基礎(chǔ)之上,對

4、并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,以機(jī)構(gòu)的工作空間和運(yùn)動分辨率為優(yōu)化目標(biāo),采用非支配遺傳算法(NSGA-II)進(jìn)行優(yōu)化,并通過權(quán)函數(shù)對優(yōu)化種群遍歷,從而獲取最優(yōu)解,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)在理論上滿足角位移和角分辨率的要求。針對理論設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),對機(jī)構(gòu)的工作空間、剛度、強(qiáng)度以及模態(tài)進(jìn)行了評估,驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)的可行性。
　　最后,根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果搭建機(jī)械系統(tǒng),設(shè)計(jì)的控制器對陶瓷進(jìn)行閉環(huán)控制,最終的指向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動、機(jī)構(gòu)、檢測一體化的整體集成。根據(jù)測