精密柔性并聯(lián)指向機構的優(yōu)化設計與系統(tǒng)研制.pdf

1、隨著精密工程的快速發(fā)展,指向機構廣泛應用于激光通信、天線指向、天文望遠鏡、紅外跟蹤和瞄準系統(tǒng)中,且對少自由度、高精密的指向機構的需求越來越大。為了保證任務實施的準確性和可靠性,本文設計的指向機構需要滿足如下要求:重復轉動精度達到,角位移達到和角分辨率達到,在此基礎上展開以下工作。
　　由于并聯(lián)機構具有精度高、剛度高、承載能力大、動態(tài)特性好等優(yōu)勢,廣泛應用于超精密機構中。柔性鉸鏈通過材料的彈性變形實現(xiàn)高精度的運動,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)的剛性運動副。采用疊堆壓電陶瓷驅動器可以保證系統(tǒng)高的分辨率、精度和穩(wěn)定性。所以本文設計的機構采用柔性鉸鏈作為被動關節(jié),并聯(lián)機構作為主要構型,通過六個獨立的壓電陶瓷驅動器來調整指向運動平臺的位姿。
　　柔性鉸鏈作為系統(tǒng)中的關鍵部件,利用Castigliano定理和Labotto積分方程,建立了柔性鉸鏈的力學模型,推導出末端節(jié)點和轉動中心的柔度矩陣。在提出3個評價柔性鉸鏈性能優(yōu)劣的指標(轉動能力、相對柔

3、度和相對轉動誤差)的基礎上,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)柔性鉸鏈進行了性能比較分析,得出圓角直梁型柔性鉸鏈的機械特性和加工性更為優(yōu)越。從而設計一種新型圓角直梁型柔性鉸鏈,通過分析3個結構參數(shù)(r0、d和l)以及加工誤差參數(shù)，對評價指標的影響,得出各參數(shù)的優(yōu)化區(qū)域。通過對比實驗結果、有限元分析結果以及理論求解值,得出相對誤差在5％以內,從而驗證了力學模型的正確性。
　　在建立機構運動學的基礎之上,對

4、并聯(lián)機構的結構參數(shù)進行多目標優(yōu)化,以機構的工作空間和運動分辨率為優(yōu)化目標,采用非支配遺傳算法(NSGA-II)進行優(yōu)化,并通過權函數(shù)對優(yōu)化種群遍歷,從而獲取最優(yōu)解,驗證了設計的機構在理論上滿足角位移和角分辨率的要求。針對理論設計的結構,對機構的工作空間、剛度、強度以及模態(tài)進行了評估,驗證了機構的可行性。
　　最后,根據(jù)設計結果搭建機械系統(tǒng),設計的控制器對陶瓷進行閉環(huán)控制,最終的指向系統(tǒng)實現(xiàn)了驅動、機構、檢測一體化的整體集成。根據(jù)測