考慮溫度效應(yīng)的精密微動(dòng)平臺(tái)力學(xué)性能研究.pdf

1、精密微動(dòng)平臺(tái)廣泛應(yīng)用于生物工程、醫(yī)療科學(xué)、微機(jī)械制造、航空航天等前沿領(lǐng)域。微動(dòng)平臺(tái)往往工作于溫度變化的環(huán)境中，溫度變化會(huì)使其產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱變形，降低了平臺(tái)的精度，所以，考慮溫度效應(yīng)的精密微動(dòng)平臺(tái)的力學(xué)性能研究具有重要的理論和實(shí)際意義。本文考慮了溫度效應(yīng)，采用有限元方法對(duì)精密微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行建模、性能分析和性能綜合，主要工作如下：
　?。?）為了減小溫度效應(yīng)對(duì)柔性鉸鏈的影響，比較分析直梁、直圓、橢圓和拋物線型4種典型柔性鉸鏈的溫度效應(yīng)，

2、以便合理選取柔性鉸鏈設(shè)計(jì)柔順機(jī)構(gòu)。將柔性鉸鏈劃分為2個(gè)變截面梁單元，計(jì)入溫度變化產(chǎn)生的初應(yīng)變，采用最小勢(shì)能原理推導(dǎo)出4種柔性鉸鏈的熱載荷向量和剛度矩陣，采用拉格郎日方程得出其質(zhì)量矩陣，得出鉸鏈的力學(xué)模型?；谌嵝糟q鏈的有限元模型，并以柔順?biāo)臈U機(jī)構(gòu)為算例，分別對(duì)基于4種柔性鉸鏈的機(jī)構(gòu)的精度、熱應(yīng)力和熱振動(dòng)進(jìn)行比較分析，分析結(jié)果表明：直圓型鉸鏈的熱誤差最大，拋物線型次之，橢圓型和直梁型最?。凰軣釕?yīng)力由大到小的順序?yàn)橹眻A、橢圓、拋物線和直梁

3、型鉸鏈；直梁型柔性鉸鏈的熱振動(dòng)諧振頻率最小，直圓型和橢圓型次之，拋物線型最大，說明直梁型柔性鉸鏈更容易受動(dòng)態(tài)溫度變化影響，但拋物線型在諧振頻率處的幅值最大，拋物線型鉸鏈熱振動(dòng)更大。
　?。?）為了分析溫度變化對(duì)橋式微動(dòng)平臺(tái)的力學(xué)性能的影響，采用有限元方法建立其力學(xué)模型。為了驗(yàn)證力學(xué)模型的精確性，與 ANSYS分析結(jié)果進(jìn)行比較分析，兩者的結(jié)果差值在3.3％～11.3%范圍之內(nèi)，說明該力學(xué)模型與軟件的分析結(jié)果一致，能精確反映其力學(xué)性能

4、，為平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種有效的模型?；谠撃Ｐ蛯?duì)橋式平臺(tái)進(jìn)行溫度效應(yīng)對(duì)其性能影響分析，分析結(jié)果表明：溫度變化對(duì)平臺(tái)的靜態(tài)運(yùn)動(dòng)精度有較大影響；可通過選擇合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)減小熱誤差；在動(dòng)態(tài)熱載荷作用下會(huì)產(chǎn)生熱振動(dòng)；溫度變化會(huì)在平臺(tái)中產(chǎn)生明顯的熱應(yīng)力。所以，不能忽略溫度效應(yīng)對(duì)平臺(tái)的影響，需要基于所建立的力學(xué)模型和性能分析結(jié)果對(duì)平臺(tái)的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減小環(huán)境溫度變化對(duì)精密微動(dòng)平臺(tái)的影響。
　?。?）以橋式微動(dòng)平臺(tái)為研究對(duì)象，分別從優(yōu)化結(jié)構(gòu)

5、參數(shù)角度和構(gòu)型設(shè)計(jì)角度減小平臺(tái)的溫度效應(yīng)。首先從優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)角度減小平臺(tái)的溫度效應(yīng)，選擇對(duì)熱誤差敏感的結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，以熱誤差和最大熱應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo)，固有頻率為約束建立優(yōu)化模型，通過平臺(tái)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提高其操作精度，同時(shí)減小平臺(tái)的熱應(yīng)力。分析結(jié)果表明，該優(yōu)化模型滿足約束條件，同時(shí)使平臺(tái)的熱誤差減小了44.35%，證明了優(yōu)化模型的有效性。然后從構(gòu)型設(shè)計(jì)角度減小平臺(tái)的溫度效應(yīng)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性對(duì)溫度效應(yīng)相互抵消作用，提出對(duì)稱式、

6、互補(bǔ)式橋式機(jī)構(gòu)以減小溫度效應(yīng)。分析結(jié)果表明，在相同溫度變化下，互補(bǔ)式、對(duì)稱式平臺(tái)均能降低熱誤差，且對(duì)稱式橋式機(jī)構(gòu)的熱誤差較互補(bǔ)式更小。
　?。?）為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的穩(wěn)健設(shè)計(jì)，以1維微動(dòng)平臺(tái)為研究對(duì)象，將溫度變化和熱膨脹系數(shù)視為噪聲因素，采用田口穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法分別從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，尋找使得平臺(tái)性能波動(dòng)達(dá)到最小的結(jié)構(gòu)參數(shù)的水平組合，以減小溫度效應(yīng)對(duì)平臺(tái)的影響。靜態(tài)穩(wěn)健設(shè)計(jì)采用有限元方法建立力學(xué)模型，采用正交表設(shè)計(jì)和主效應(yīng)分析，確

7、定最佳控制因子水平組合。結(jié)果分析表明，優(yōu)化后熱誤差的均值降低了16.03%，方差降低了12.07%，信噪比提高了1.1%。平臺(tái)在進(jìn)行微操作過程中，希望平臺(tái)的輸出位移隨著輸入位移的變化而變化，所以需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)的穩(wěn)健設(shè)計(jì)。采用動(dòng)態(tài)信噪比反映在溫度變化和熱膨脹系數(shù)波動(dòng)的作用下輸出位移的波動(dòng)，采用靈敏度表征輸入位移和輸出位移之間的敏感程度。通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和主效應(yīng)分析確定最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。在相同噪聲因素的影響下，比較分析優(yōu)化前與優(yōu)化后的輸出位移