[1]张 阳 阳,姚 志 远,耿 冉 冉.基于超声电机驱动的微操作手优化设计[J].机械与电子,2017,(04):65-69.
　,Optimal Design of Micromanipulator Driven by Ultrasonic Motors[J].Machinery & Electronics,2017,(04):65-69.
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基于超声电机驱动的微操作手优化设计()
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机械与电子[ISSN:1001-2257/CN:52-1052/TH]

卷:
期数:
2017年04期
页码:
65-69
栏目:
智能工程
出版日期:
2017-04-24

文章信息/Info

Title:
Optimal Design of Micromanipulator Driven by Ultrasonic Motors
文章编号:
1001-2257(2017)04-0065-05
作者:
张 阳 阳 ; 姚 志 远 ; 耿 冉 冉
南 京 航 空 航 天 大 学 机 械 结 构 力 学 及 控 制 国 家 重 点 实 验 室 ，江 苏 南 京２１００１６
Author(s):
ＺＨＡＮ Ｇ Ｙａｎｇｙａｎｇ ;  ＹＡ Ｏ Ｚｈｉｙｕａｎ ;  ＧＥＮ Ｇ Ｒａｎｒａｎ
 Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍ ｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｍ ｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕ ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６ ， Ｃｈｉｎａ
关键词:
微 操 作 手 ; 超 声 电 机 ; 优 化 设 计
Keywords:
ｍｉｃｒｏ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ;  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｍ ｏｔｏｒ ;  ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ
分类号:
Ｔ Ｐ２４
文献标志码:
A
摘要:
           为 了 提 高 超 声 电 机 驱 动 的 纳 米 级 微 操 作 手 的 控 制 精 度 ，研 究 了 它 的 结 构 和 材 料 参 数 的 优 化 设计 。 首 先 ，构 造 了 影 响 指 针 尖 端 振 动 的 参 数 化 模 型 ，对 影 响 指 针 尖 端 振 动 幅 度 的 各 项 参 数 进 行 了 灵 敏 度 分析 ，根 据 灵 敏 度 分 析 结 果 建 立 了 抑 制 微 操 作 手 指 针 尖 端 振 动 的 多 维 约 束 优 化 模 型 。 在 求 解 过 程 中 发 现 了 内点 罚 函 数 法 障 碍 项 失 效 的 现 象 ，对 内 点 罚 函 数 法 进 行 了 改 进 ，利 用 改 进 后 的 内 点 罚 函 数 法 和 牛 顿 法 迭 代 求解 ，求 解 结 果 表 明 改 进 后 的 内 点 罚 函 数 法 对 于 设 计 变 量 的 约 束 更 有 效 。 其 次 ，用 有 限 元 软 件Ａ ｎｓｙｓ ｗ ｏｒｋｂｅｎｃｈ 对 求 解 结 果 的 可 行 性 进 行 了 验 证 。 最 后 振 动 测 试 实 验 表 明 ，优 化 前 指 针 的 振 动 幅 度 为 １６ ．３３μ ｍ，优化 后 指 针 的 振 动 幅 度 为 ２ ．５１μ ｍ。 优 化 后 指 针 尖 端 的 振 动 幅 度 缩 小 了 ８４ ．６ ％ ，对 指 针 尖 端 的 振 动 产 生 了 明显 的 抑 制 效 果 ，说 明 了 优 化 方 案 的 有 效 性 。
Abstract:
            ｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ ｌｉｎｅａｒ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｍ ｏｔｏｒｓ ， ａｎ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐａｒａ ｍｅｔｅｒｓ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ． Ｆｉｒｓｔ ， ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ａ ｐａｒａ ｍｅｔｅｒｉｚｅｄ ｍ ｏｄｅｌ ｗ ｈｉｃｈ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｄ ｅｆｆｅｃｔｏｒ ， ｔｈｅｎ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ
ｐａｒａ ｍｅｔｅｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａ ｍ ｐｌｉｔｕｄｅ ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ， ｔｈｅ ｍ ｕｌｔｉｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍ ｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｏ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｅｎｄ ｅｆｆｅｃｔｏｒ ． Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｅｎａｌｔｙ ｔｅｒｍ ｉｎ Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｎａｌｔｙ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｍ ｅｔｈｏｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｌｖｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ， ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｎａｌｔｙ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｍ ｅｔｈｏｄ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ Ｎｅｗｔｏｎ＇ｓ ｉｔｅｒａｔｉｖｅ ｓｏｌｖｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗｅｒｅ ａｌｌｉｍ ｐｒｏｖｅｄ ， ｗ ｈｏｓｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｍ ｐｒｏｖｅｄ Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｎａｌｔｙ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｍ ｅｔｈｏｄ ｉｓ ｍ ｏｒｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｆｏｒｒｅｓｔｒａｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ． Ｓｅｃｏｎｄ ， ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｖｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗａｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ａ ｎｓｙｓ ｗ ｏｒｋｂｅｎｃｈ ． Ｆｉｎａｌｌｙ ， ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａ ｍ ｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆｔｈｅ ｅｎｄ ｅｆｆｅｃｔｏｒｉｓ ２ ．５１μ ｍ ａｆｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ， ｗ ｈｉｌｅ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａ ｍ ｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｄｅｆｆｅｃｔｏｒｉｓ １６ ．３３μ ｍ ｂｅｆｏｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ． Ｔ ｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａ ｍ ｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｅｎｄｅｆｆｅｃｔｏｒ ｓｈｒａｎｋ ｂｙ ８４ ．６ ％ａｆｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ． Ｔ ｈｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｉｎｈｉｂｉｔｏｒｙ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｄ ｅｆｆｅｃｔｏｒ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ．

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［ １６ ］ 　Ｌｉ Ｙａｎｇ ｍｉｎ ， Ｗ ｕ Ｚｈｉｇａｎｇ ， Ｚｈａｏ Ｘｉｎｈｕａ ． Ｏ ｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ａ ｎｏｖｅｌ ２ Ｄ Ｏ Ｆ ｍｉｃｒｏ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ［ Ｊ ］ ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａ ｄｖａｎｃｅｄ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ ， ２０１３ ， １０ （ １６２ ）： １ １２ ．
［ １７ ］ 　Ｙ ｕｎ Ｙ ｕａｎ ， Ｌｉ Ｙａｎｇ ｍｉｎ ． Ｏ ｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ３Ｐ ＵＰ Ｕ ｐａｒａｌｌｅｌ ｒｏｂｏｔ ｗｉｔｈ ｃｏ ｍ ｐｌｉａｎｔ ｈｉｎｇｅｓ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｃｕｂｉｃ ｗｏｒｋｓｐａｃｅ ［ Ｊ ］ ． Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄＣｏ ｍ ｐｕｔｅｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍ ａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ， ２０１１ ， ２７ （ ６ ）：９７７ ９８５ ．
［ １８ ］ 　Ｖｉｎｃｅｎｔ Ｃｈａｌｖｅｔ ， ＹａｓｓｉｎｅＨ ａｄｄａｂ ， Ｐｈｉｌｉｐｐｅ Ｌｕｔｚ ．Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ａｎｏｎｒｅｄｕｎｄａｎｔ ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｃｒｏｒｏｂｏｔ ： Ｓｈｏｒｔｅｓｔ ｐａｔｈ ａｌｇｏｒｉｔｈ ｍ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ａ ｈｙｐｅｒｃｕｂｅ ｇｒａｐｈ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ ［ Ｊ ］ ． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍ ｅｃｈａｎｉｓｍｓ ａｎｄ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ，２０１５ ， ８ （ ２ ）： １ ９ ．

相似文献/References:

[1]薛成,陈超.新型多通道控制的微小型超声电机[J].机械与电子,2017,(04):44.
　.A New Type of Multi-channel Servo Control of Miniature Ultrasonic Motor[J].Machinery & Electronics,2017,(04):44.

备注/Memo

备注/Memo:
收 稿 日 期 ： ２０１６１２ ３０
基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ ５１２７５２２９ ）；国 家 重 大 仪 器 设 备 开 发 专 项 （ ２０１２ Ｙ Ｑ１００２２５ ）
作 者 简 介 ：张 阳 阳 　 （ １９９１ － ），男 ，河 南 焦 作 人 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 超 声 电 机 技 术 ；姚 志 远（ １９６１ － ），男 ，江 苏 镇 江 人 ，教 授 ，研 究 方向 为 结 构 力 学 分 析 和 超 声 电 机 技 术 。
更新日期/Last Update: 2017-06-29