含局部谐振阻尼的XY柔顺平台优化设计与实验

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.240007

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2024, Vol. 52 ›› Issue (12): 1-13.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.240007

所属专题： 2024年机械工程

• 机械工程 • 下一篇

含局部谐振阻尼的XY柔顺平台优化设计与实验

陈忠(), 邱钰莨, 张宪民

华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640

收稿日期:2024-01-09 出版日期:2024-12-25 发布日期:2024-06-26
作者简介:陈忠（1968—），男，博士，教授，主要从事柔顺机构动力学、机器视觉及其应用、精密测量、故障诊断研究。E-mail： mezhchen@scut.edu.cn
基金资助:
广东省自然科学基金资助项目(2022A1515011263)

Optimization Design and Experiment of XY Compliant Platform with Local Resonance Damping

CHEN Zhong(), QIU Yuliang, ZHANG Xianmin

School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China

Received:2024-01-09 Online:2024-12-25 Published:2024-06-26
About author:陈忠（1968—），男，博士，教授，主要从事柔顺机构动力学、机器视觉及其应用、精密测量、故障诊断研究。E-mail： mezhchen@scut.edu.cn
Supported by:
the Natural Science Foundation of Guangdong Province(2022A1515011263)

摘要/Abstract

摘要：

柔顺精密定位平台是精密装备的核心部件，其高速、高精度的定位操作要求平台具有高响应速度与良好的调节能力，被动阻尼可以有效地提升平台的快速响应能力。为了提升含局部谐振阻尼的XY柔顺定位平台的快速响应能力，该文提出了一种综合提升模态阻尼与固有频率的柔顺平台优化设计方法。首先，根据弹性理论以及卡氏第二定理，完成了平台刚度的解析建模与刚度综合，并推导了平台固有频率的表达式。然后，以控制增益最大为目标，建立了固有频率与共振区频响曲线面积构成的单目标优化函数、平台优化设计问题的数学表达式以及ABAQUS-Python-Matlab联合优化模型。为简化有限元计算的复杂度，基于平台一阶固频等效，建立了优化后平台的等效结构。通过对优化后的平台进行仿真分析，验证了固有频率解析表达式的正确性。最后，通过搭建实验平台，对含局部谐振阻尼的XY柔顺平台进行了静态、动态和轨迹追踪实验。结果表明，所提出的综合优化方法可使平台X轴和Y轴控制带宽分别提高7.42%和24.70%，并有效提升系统的轨迹追踪性能。

关键词: 柔顺平台, 优化设计, 局部谐振阻尼, 控制带宽, 有限元分析, 轨迹追踪

Abstract:

A compliant precision positioning platform is a core component of precision equipment. The high-speed and high-precision positioning operation requires the platform to possess high response speed and good regulation capabilities. Passive damping can effectively enhance the platform’s rapid response capabilities. To improve the rapid response capability of an XY compliant positioning platform with local resonance damping, this paper proposes an optimization design method that comprehensively enhances modal damping and natural frequency. In the investigation, firstly, based on elasticity theory and Castigliano’s second theorem, the platform stiffness is analytically modeled and synthesized, and the expression for the platform’s natural frequency is derived. Subsequently, aiming at the maximum control gain, a single-objective optimization function composed of natural frequency and the frequency response curve area of the resonant region is formulated, along with the mathematical expression for the platform optimization design problem and a ABAQUS-Python-Matlab joint optimization model. Then, to simplify the complexity of finite element calculations, an equivalent structure for the optimized platform based on the first-order fixed frequency equivalence is established. Moreover, simulation analysis of the optimized platform is conducted, and the optimization design results are compared and analyzed to verify the correctness of the natural frequency analytical expression. Finally, an experimental platform is constructed to perform static, dynamic and trajectory tracking experiments on the XY compliant platform with local resonance damping. The results demonstrate that the proposed comprehensive optimization method can increase the X-axis and Y-axis control bandwidths of the platform respectively by 7.42% and 24.70%, and effectively enhance the trajectory tracking performance of the system.

Key words: compliant platform, optimization design, local resonance damping, control bandwidth, finite element analysis, trajectory tracking

中图分类号:

TH122

陈忠, 邱钰莨, 张宪民. 含局部谐振阻尼的XY柔顺平台优化设计与实验[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(12): 1-13.

CHEN Zhong, QIU Yuliang, ZHANG Xianmin. Optimization Design and Experiment of XY Compliant Platform with Local Resonance Damping[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2024, 52(12): 1-13.

参考文献 17

1	张宪民，朱本亮，李海，等．柔顺精密定位与操作机构研究进展［J］．机械工程学报，2023，59（19）：24-43．
	ZHANG Xianmin， ZHU Benliang， LI Hai，et al ．Recent advances in compliant precision positioning and manipulating mechanisms［J］．Journal of Mechanical Engineering，2023，59（19）：24-43．
2	CHEN Z， ZHONG X， SHI J，et al ．Damping-enabling technologies for broadband control of piezo-stages：a survey［J］．Annual Reviews in Control，2021，52：120-134．
3	FLEMING A J ．Nanopositioning system with force feedback for high-performance tracking and vibration control［J］．IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2010，15（3）：433-447．
4	FLEMING A J， APHALE S S， MOHEIMANI S ．A new method for robust damping and tracking control of scanning probe microscope positioning stages［J］．IEEE Transactions on Nanotechnology，2010，9（4）：438-448．
5	MAHMOOD I A， MOHEIMANI S O R ．Making a commercial atomic force microscope more accurate and faster using positive position feedback control［J］．Review of Scientific Instruments，2009，80（6）：063705/1-8．
6	FLEMING A J， LEANG K K ．Integrated strain and force feedback for high-performance control of piezoelectric actuators［J］．Sensors and Actuators A：Physical，2010，161（1/2）：256-265．
7	YONG Y K， FLEMING A J ．High-speed vertical positioning stage with integrated dual-sensor arrangement［J］．Sensors and Actuators A：Physical，2016，248：184-192．
8	LI C， DING Y， GU G，et al ．Damping control of piezo-actuated nanopositioning stages with recursive delayed position feedback［J］．IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2017，22（2）：855-864．
9	DADKHAH D， MOHEIMANI S O R ．Combining H_∞ and resonant control to enable high-bandwidth measurements with a MEMS force sensor［J］．Mechatronics，2023，96：103086/1-9．
10	PREUMONT A ．Vibration control of active structures：an introduction［M］．4th edition．Cham：Springer，2018．
11	CHEN Z， CHEN G， ZHANG X ．Damped leaf flexure hinge［J］．Review of Scientific Instruments，2015，86（5）：055002/1-7．
12	CHEN Z， JIANG X， ZHANG X ．Damped circular hinge with integrated comb-like substructures［J］．Precision Engineering，2018，53：212-220．
13	CHEN Z， SHI J， LI Z，et al ．Design and analysis of a 3-DOF damped flexure-guided nanopositioning stage［C］∥Proceedings of the 2020 International Conference on Manipulation，Automation and Robo-tics at Small Scales （MARSS）．Toronto：［s.n.］，2020．
14	CHEN Z， SHI J， LI Z，et al ．A damped decoupled XY nanopositioning stage embedding graded local resonators［J］．IEEE/ASME Transactions on Mechatro-nics，2022，27（1）：256-267．
15	李志鹏．超结构强模态阻尼XY平面解耦柔顺机构设计及实验研究［D］．广州：华南理工大学，2020．
16	赵玫，陈光治，周海亭，等．机械振动与噪声学［M］．北京：科学出版社，2004．
17	RU C， LIU X， SUN Y ．Nanopositioning technologies：fundamentals and applications［M］．Cham：Springer，2016．

[1]	杨易, 王喆, 张之远. 流线型抗风构件对TTU标准模型屋面风荷载影响的大涡模拟研究[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(2): 136-148.
[2]	王宁珍, 秦康杰, 唐亮, 上官利坚, 周孚鹏, 上官文斌. 基于响应面模型的电动汽车电池箱体优化设计[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(12): 43-51.
[3]	李旻, 姚棋水. 随机振动载荷下橡胶隔振器的疲劳寿命计算[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(12): 14-21.
[4]	刘岩, 陈奕贤, 王鑫, 等. 轴力作用下焊接方管Π型节点的极限承载力分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(11): 32-42.
[5]	徐晨, 许琴东, 孙旭霞, 等. 连续钢梁SFRC组合桥面板的优化设计[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(1): 26-37.
[6]	丁发兴, 蔡勇强, 王莉萍, 等. 焊接多腔双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(1): 15-25.
[7]	陈忠谢声扬张宪民. 基于电磁驱动的二自由度混联柔顺夹钳设计[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2021, 49(12): 35-42.
[8]	臧孟炎, 王立臣, 周涛, 等. 子午线轮胎的动态特性仿真分析与评价[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2020, 48(8): 124-129.
[9]	金霞, 胡俊聪, 王威, 等. 虚拟环境下汽车引擎盖的匹配调整策略[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2020, 48(6): 87-96.
[10]	石广丰霍明杰王子涛. 固着液滴的流固耦合模态仿真分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2020, 48(2): 137-142,150.
[11]	辛俐, 胡兴军, 张靖龙, 等. 汽车侧窗区域水污染的仿真和优化[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2020, 48(11): 72-79.
[12]	吕辉, 杨坤, 黄晓婷, 等. 含模糊不确定性的动力总成悬置系统固有特性分析与优化[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2020, 48(10): 105-112.
[13]	唐亮李益张之锐程一鸣上官文斌. 汽车转向系统模态的分析与优化[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2019, 47(9): 83-89.
[14]	夏烨, 王鹏, 雷伟, 等. 基于中性轴的混凝土梁桥监测方法与指标研究[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2019, 47(12): 62-71.
[15]	万里翔刘杰李志超谭孟尤黎民上官文斌. 汽车门框上条拉弯分析及截面变形评价方法 [J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2018, 46(4): 16-21,28.

含局部谐振阻尼的XY柔顺平台优化设计与实验

Optimization Design and Experiment of XY Compliant Platform with Local Resonance Damping

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献 17

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价