跨尺度粘滑定位台及其控制系统的设计
作者单位：苏州大学
学位级别：硕士
导师姓名：汝长海
授予年度：2017年
学科分类：08[工学] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化]
摘 要：随着纳米技术的发展,对关键的纳米操作技术提出了越来越高的要求。纳米操作技术是指对纳米级对象进行操作的技术,该技术为纳米科学研究提供了条件与基础。纳米级的驱动与定位技术是纳米操作的核心技术,已经受到越来越多的科研工作者重视,并已经取得了很大的发展。在纳米操作领域中,纳米操作技术需求的不断增大,推动着跨尺度驱动与定位技术的研究发展。跨尺度技术设备尺寸很小,能够在有限的空间内实现毫米级的运动行程,并能实现纳米级的分辨率和重复定位精度,对纳米技术发展起着至关重要的作用,在精密加工、生物工程、半导体制造、医疗机器人、光学制造、航空航天等重要科学领域中,都有着举足轻重的地位。针对一些要求大行程、高速、高精度的技术设备,目前代表性的跨尺度纳米驱动定位技术主要有:宏微混合式驱动定位、超声波式驱动定位、直动式驱动定位、尺蠖式驱动定位、惯性式驱动定位。其中,惯性式粘滑驱动定位技术以其运动范围大、分辨率高、结构简单、体积小、集成度高、运动速度快等突出优点,在各领域获得了广泛的应用。本文在这样的研究和应用背景下,提出以压电陶瓷作为驱动源的跨尺度驱动定位技术——粘滑式惯性驱动定位技术的研究。在江苏省杰出青年基金“基于SEM跨尺度纳米操作机驱动机理及自动化操作方法研究(项目编号为BK2012005)资助下,本文在研究分析了国内外跨尺度驱动定位技术的基础上,分别从基于粘滑驱动原理的定位台结构设计、定位台的一体化动力学建模和仿真分析优化、驱动和闭环控制系统设计、样机参数测试及控制系统实验研究共四个方面进行了深入研究:首先,设计基于粘滑驱动原理的定位台结构。为了满足在特定环境下实现纳米操作,设计基于粘滑驱动原理的纳米级定位台,该定位台要结构尽可能的紧凑、行程大、运动速度快、定位精度高,选择压电陶瓷致动器为驱动源,柔性铰链作为传动机构。为了在快速大行程的运动条件下保证其精度,该定位台集成有光栅反馈部件。该定位台的驱传动部分被设计成一个独立的模块,可以对摩擦力进行调节,大大提高可承受的负载上限。其次,建立定位台的一体化动力学模型并进行仿真分析优化。分别对驱动源压电陶瓷致动器建立电学模型和力学模型,并对压电陶瓷、柔性铰链、质量块组成的驱传动部分建立动力学模型。根据粘滑驱动的原理,结合所选的LuGre摩擦力模型,建立起整个定位台在水平方向上运动的一体化动力学模型。对粘滑驱动定位台进行动力学的仿真,分析结构设计中一些参数对定位台运动性能的影响,分析负载质量和粘滑摩擦力对定位台运动性能的影响。根据仿真分析结果,对定位台的结构设计进行优化。再次,设计驱动和闭环控制系统。设计制作压电陶瓷致动器的驱动电源,并对其进行必要参数的测试,确保该电源的动态性能能满足实验所需。在获得电源参数的基础上,利用之前建立的一体化模型,仿真分析电压信号的幅值、频率、阶跃时间对定位台运动性能的影响。设计闭环控制方法,采集光栅读数头的脉冲信号,辨别并过滤其中的错误信号,对有效的脉冲进行判向和计数,实现对定位台运动方向的判断、位移大小的反馈。编写PC端程序,对定位台的运动进行闭环控制,保证定位台在进行快速大行程的运动时具有纳米级的精度。最后,制作样机并进行实验测试。加工定位台样机,搭建实验系统,测试定位台的开环性能和闭环性能,开环性能主要包括分辨率、最小步长、最大速度、步长重复性、负载能力以及减小摩擦力的效果。闭环性能测试中,测量仪器使用最高精度的档位,测定定位精度,并使用足够量程的档位,测定观察定位台高速、大行程运动的定位精度和曲线形状,验证闭环控制算法的精度和正确性。
同方学位论文库