考慮溫度效應(yīng)的精密微動平臺力學性能研究.pdf

1、精密微動平臺廣泛應(yīng)用于生物工程、醫(yī)療科學、微機械制造、航空航天等前沿領(lǐng)域。微動平臺往往工作于溫度變化的環(huán)境中，溫度變化會使其產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱變形，降低了平臺的精度，所以，考慮溫度效應(yīng)的精密微動平臺的力學性能研究具有重要的理論和實際意義。本文考慮了溫度效應(yīng)，采用有限元方法對精密微動平臺進行建模、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)計柔順機構(gòu)。將柔性鉸鏈劃分為2個變截面梁單元，計入溫度變化產(chǎn)生的初應(yīng)變，采用最小勢能原理推導出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，得出鉸鏈的力學模型。基于柔性鉸鏈的有限元模型，并以柔順四桿機構(gòu)為算例，分別對基于4種柔性鉸鏈的機構(gòu)的精度、熱應(yīng)力和熱振動進行比較分析，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??；所受熱應(yīng)力由大到小的順序為直圓、橢圓、拋物線和直梁

3、型鉸鏈；直梁型柔性鉸鏈的熱振動諧振頻率最小，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更大。
　?。?）為了分析溫度變化對橋式微動平臺的力學性能的影響，采用有限元方法建立其力學模型。為了驗證力學模型的精確性，與 ANSYS分析結(jié)果進行比較分析，兩者的結(jié)果差值在3.3％～11.3%范圍之內(nèi)，說明該力學模型與軟件的分析結(jié)果一致，能精確反映其力學性能

4、，為平臺的優(yōu)化設(shè)計提供一種有效的模型?；谠撃Ｐ蛯蚴狡脚_進行溫度效應(yīng)對其性能影響分析，分析結(jié)果表明：溫度變化對平臺的靜態(tài)運動精度有較大影響；可通過選擇合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)減小熱誤差；在動態(tài)熱載荷作用下會產(chǎn)生熱振動；溫度變化會在平臺中產(chǎn)生明顯的熱應(yīng)力。所以，不能忽略溫度效應(yīng)對平臺的影響，需要基于所建立的力學模型和性能分析結(jié)果對平臺的進行優(yōu)化設(shè)計，以減小環(huán)境溫度變化對精密微動平臺的影響。
　?。?）以橋式微動平臺為研究對象，分別從優(yōu)化結(jié)構(gòu)

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

6、互補式橋式機構(gòu)以減小溫度效應(yīng)。分析結(jié)果表明，在相同溫度變化下，互補式、對稱式平臺均能降低熱誤差，且對稱式橋式機構(gòu)的熱誤差較互補式更小。
　?。?）為了實現(xiàn)平臺的穩(wěn)健設(shè)計，以1維微動平臺為研究對象，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)計方法分別從靜態(tài)和動態(tài)特性進行參數(shù)設(shè)計，尋找使得平臺性能波動達到最小的結(jié)構(gòu)參數(shù)的水平組合，以減小溫度效應(yīng)對平臺的影響。靜態(tài)穩(wěn)健設(shè)計采用有限元方法建立力學模型，采用正交表設(shè)計和主效應(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%。平臺在進行微操作過程中，希望平臺的輸出位移隨著輸入位移的變化而變化，所以需要進行動態(tài)的穩(wěn)健設(shè)計。采用動態(tài)信噪比反映在溫度變化和熱膨脹系數(shù)波動的作用下輸出位移的波動，采用靈敏度表征輸入位移和輸出位移之間的敏感程度。通過正交試驗設(shè)計和主效應(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