全压电驱动纳米级宏/微定位系统的研究

论文摘要

宏/微驱动定位平台是实现大行程、高精度精密定位的主要实现方式之一。宏动平台完成系统的粗定位,可以有效提高系统运行速度,扩大系统运动范围;微动系统实现精密补偿定位,可以有效缩短系统的响应时间,提高系统的分辨率和定位精度。两者结合很好的实现了大行程、高速高精度、低成本、大频响的优点。本文建立了一套大行程、高精度的全压电驱动宏微单轴定位平台,由纳米级高精密光栅尺实现宏动系统和微动系统的位置闭环反馈。压电马达驱动宏动平台实现系统粗定位,压电陶瓷驱动的柔性铰链微位移机构实现快速响应和位置误差补偿,最终实现纳米级定位。在机构设计方面,基于全压电驱动、一体化设计的思想设计宏/微驱动定位平台结构,建立系统关键部件柔性铰链的刚度模型,并利用有限元分析软件进行模态分析。进行压电马达、压电陶瓷微动系统控制方法的研究。采用增量PID方法实现了宏动系统的稳定控制,采用单神经元自适应PID控制提高微动系统的稳定性和响应时间。针对宏微定位系统的切换问题,进行切换阈值对系统稳态精度和动态性能的影响分析,总结出宏/微切换的阈值选择原则。最后,对平台的各项特性指标进行实验测试。宏微定位平台的分辨率为5nm,重复定位精度为17.79nm。本文研制的全压电驱动方式大行程、高精度、高度集成一体化的宏微定位平台在微纳操作、精密加工、光学检测、生物制造等领域具有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究目的及意义
• 1.2 宏微驱动平台技术研究现状
• 1.2.1 宏驱动方式的研究现状
• 1.2.2 微动机构的研究现状
• 1.2.3 宏微驱动平台国内外研究现状
• 1.3 课题来源及主要研究内容
• 第2章 全压电驱动宏/微定位平台的研制
• 2.1 引言
• 2.2 宏/微全压电驱动定位平台的总体设计
• 2.3 宏动平台的设计
• 2.3.1 宏动平台的总体设计
• 2.3.2 压电马达的选型
• 2.4 微动平台的设计和建模
• 2.4.1 压电陶瓷致动器及其驱动器的选型
• 2.4.2 双层弹性平行板柔性铰链机构的刚度模型
• 2.4.3 微动系统的力学模型分析
• 2.4.4 柔性铰链的设计
• 2.5 位置传感器
• 2.6 全压电驱动宏微定位平台实物
• 2.7 本章小结
• 第3章 宏微驱动定位系统控制方法的研究
• 3.1 引言
• 3.2 宏微驱动定位平台控制系统
• 3.3 宏动系统的控制
• 3.3.1 宏动系统传递函数
• 3.3.2 宏动平台死区的硬件补偿
• 3.3.3 宏动机构的软件控制
• 3.3.4 宏动机构控制系统的仿真
• 3.4 微动系统的控制
• 3.4.1 压电陶瓷的电学模型
• 3.4.2 微动系统传递函数
• 3.4.3 单神经元PID控制
• 3.4.4 微动平台控制系统的仿真
• 3.5 宏微驱动定位系统的宏微切换控制
• 3.5.1 宏微驱动定位系统的控制
• 3.5.2 宏/微驱动定位系统控制策略仿真
• 3.5.3 宏微切换阈值分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 宏/微驱动定位平台的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验系统的设计
• 4.2.1 实验系统组成
• 4.2.2 控制软件介绍
• 4.3 宏动系统的性能测试
• 4.3.1 宏动系统重复定位精度的测试
• 4.4 微动系统的性能测试
• 4.4.1 微动系统的开环性能测试
• 4.4.2 微动系统闭环PID控制
• 4.4.3 微动系统单神经元自适应PID控制
• 4.4.4 微动系统重复定位精度测试
• 4.5 宏/微结合定位系统特性测试
• 4.5.1 宏微结合动态特性测试
• 4.5.2 宏/微定位平台分辨率的测试
• 4.5.3 宏/微切换阈值与系统响应时间的关系测试
• 4.5.4 宏/微定位平台重复定位精度测试
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢