摘要
随着微纳米科技的迅速发展和应用领域的不断扩宽，微纳精密定位领域对于定位精度的要求也在不断地提高，传统的精密传动形式已经无法满足实际工作需求，迫切需要开发设计出多自由度、大行程、高分辨率和良好动态特性的柔性精密定位系统。柔性精密定位系统选择压电陶瓷驱动器作为系统驱动，通过柔性铰链设计的柔性机构实现输出运动的放大与解耦，通过不同的组合形式实现多自由度运动，具有响应速度快、控制精度高、体积质量小等诸多优点，具有良好的发展与应用前景，是国内外精密定位系统研究的关注点。因此，开展综合性能优异的柔性精密定位系统的研究对于促进我国柔性微纳精密定位领域相关技术的发展具有重要的价值与研究意义。 本文依托于上海市空间飞行器机构重点实验室开放课题，针对柔性精密定位系统的工作原理、结构设计、耦合误差、传递衰减、实验测量和新平台改进设计等方面进行了研究分析，本文的主要研究内容如下： ①研究了多自由度大行程柔性精密定位系统的工作机理与组成部分：采用柔顺机构学、弹性梁理论等讨论了柔性精密定位系统的工作原理与组成部分，探讨了驱动元件、柔性铰链、柔性机构等变形原理与特性，确定了定位系统中不同元件的选型与特性。 ②研究了多自由度大行程柔性精密定位系统的误差特性与输出放大比特性：采用虚功原理、能量守恒、伪刚体模型法、弹性梁理论等理论，对柔性精密定位平台的重力耦合误差进行了建模分析，讨论了外部负载和自重对于平台耦合误差的影响；建立了柔性精密定位平台各级机构输入/输出刚度模型，考虑结构刚度对定位平台实际输出位移的阻碍作用，建立了柔性精密定位平台的误差衰减模型，通过“衰减因子”分析了定位平台输出变形与衰减误差之间的关系；基于衰减误差模型，建立了柔性定位平台的实际输出模型，获得柔性定位系统的输出误差与位移放大比特性。 ③研究了多自由度大行程柔性精密定位系统误差的实验测量与分析评价：搭建了六自由度精密定位平台误差实验测量系统，得到了定位平台单轴运动误差、多轴运动误差和重力耦合误差等运动误差指标，结合有限元仿真分析结果，验证了柔性精密定位平台理论推导模型的正确性，评价分析了定位平台的实际输出误差特性。 ④研究了多自由度大行程柔性精密定位系统的改进设计与静动特性：基于柔性精密定位平台的衰减误差和重力耦合误差机理，提出了一种新型大行程二自由度柔性精密定位平台的结构方案，通过混合多级位移放大机构实现输入位移的放大与动态特性的提高，建立了精密定位平台的位移放大比和固有频率模型，对比有限元仿真分析结果，满足了工作行程与动态特性的要求。
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