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粘滑驱动式小型运动平台的动力学分析

压电与声光 2018年第5期40卷 715-719页

作者：娄成树时运来张军程丁继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

为解决微纳操作中驱动技术方面的问题,该文研制了一种粘滑驱动式小型运动平台;基于已构建的平台结构,继而建立了粘滑驱动系统动力学模型。该动力学模型在引入LuGre摩擦模型的基础上,分别对压电叠堆的电学模型、驱传动系统机械动力学模... 详细信息

为解决微纳操作中驱动技术方面的问题,该文研制了一种粘滑驱动式小型运动平台;基于已构建的平台结构,继而建立了粘滑驱动系统动力学模型。该动力学模型在引入LuGre摩擦模型的基础上,分别对压电叠堆的电学模型、驱传动系统机械动力学模型进行建模,最终得到统一的粘滑驱动系统模型,并利用Matlab/Simulink对模型进行仿真及分析。分析结果表明,平台位移随着预压力增大而减小,而随着移动台质量的增大而增大。最终经过实验结果与仿真数据对比可知两者基本一致,验证了该模型的准确性。

关键词：微纳操作粘滑驱动动力学模型 LuGre Simulink

基于粘滑驱动的球基微操作器动力学建模与分析

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机械工程学报 2007年第4期43卷 138-143页

作者：郭伟汪盛李满天孙立宁哈尔滨工业大学机器人研究所哈尔滨150001

球基微操作器是一种广泛应用于微纳米精密作业的微机器人系统,由基座、微操作球和顶端嵌有红宝石球的3根四分压电陶瓷管组成。基于此,通过驱动压电陶瓷管弯曲或摆动,依靠红宝石球与微操作球间惯性摩擦形成的相对位移实现微操作球3自由... 详细信息

球基微操作器是一种广泛应用于微纳米精密作业的微机器人系统,由基座、微操作球和顶端嵌有红宝石球的3根四分压电陶瓷管组成。基于此,通过驱动压电陶瓷管弯曲或摆动,依靠红宝石球与微操作球间惯性摩擦形成的相对位移实现微操作球3自由度的运动。这种摩擦运动中存在粘滑现象,粘滑驱动带来的非线性导致球基微操作器动力学性能复杂。在简化球面高副连接的条件下,建立具有粘滑特性的微操作器系统动力学模型。基于动态摩擦模型,运用数值方法分析多个参数对微操作器运动性能的影响,通过仿真手段完成模型验证。进行微操作器运动测试试验,进一步验证所建立的动力学模型的正确性和有效性。

关键词：微操作器动力学建模粘滑驱动数值分析

一种尺蠖-粘滑复合型旋转驱动器设计分析与实验

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一种尺蠖-粘滑复合型旋转驱动器设计分析与实验

作者：王凌飞山东大学

学位级别：硕士

随着精密加工与测量、光刻技术、生物医学、航天通信、同步辐射等高尖端领域的迅速发展,具有精确定位功能的纳米运动平台成为新的研究热点。精密旋转驱动器作为纳米定位领域重要的末端执行器,在上述领域中发挥着极其重要的调姿与指向作... 详细信息

随着精密加工与测量、光刻技术、生物医学、航天通信、同步辐射等高尖端领域的迅速发展,具有精确定位功能的纳米运动平台成为新的研究热点。精密旋转驱动器作为纳米定位领域重要的末端执行器,在上述领域中发挥着极其重要的调姿与指向作用。传统的旋转驱动器大多体积庞大、精度不高,不符合现代精密定位与驱动的要求。而以仿生原理为基础的尺蠖式驱动器以及基于惯性原理的粘滑式驱动器不仅有着纳米级别的高分辨率同时兼具了大行程的特点,已经成为精密运动领域的首选。然而,尺蠖驱动器虽然单步运动准确,精度高,但其一般结构设计复杂,各内部单元间时序电路需相互配合,给装配和驱动器控制造成不小难度;粘滑驱动器结构相对简单、运动速度快,但其每步运动中不可避免的回撤位移对其运动精度造成了极大影响。因此,利用不同驱动器的优势,根据工作环境要求切换合适的驱动方式给精密驱动器的发展提出了新的挑战。面对复杂工况提出的技术挑战,本文了提出了一种尺蠖-粘滑复合型旋转驱动器,根据工作需要实现尺蠖运动模式与粘滑运动模式的切换,围绕驱动器的结构设计、驱动原理、建模分析与仿真以及实验性能测试展开研究,详细研究内容如下:首先,为了满足复杂工况的使用要求,根据仿生尺蠖驱动原理以及惯性粘滑驱动原理,设计了一种新颖的旋转驱动器。驱动器整体采用对称结构,内部各单元分离,将箝位机构与驱动机构集成设计在同一平面,避免了复杂的多层结构。同时,一侧箝位机构与驱动机构采用并联结构,两侧箝位机构分离的设计使驱动器能够实现尺蠖、粘滑两种运动模式,提出了一种新的步进式驱动器设计思路。考虑到驱动器的运动精度以及箝位力对负载能力的影响,驱动端使用压电陶瓷做驱动元件,箝位端使用电动推杆做驱动元件,利用柔性力放大机构对输出力进行放大,实现高精度运动的同时兼顾了驱动器负载性能。其次,针对旋转驱动器中的柔性部件进行建模分析,根据箝位机构的几何关系利用运动法建立其位移缩小倍数模型;基于虚功定理,分析柔性铰链处的能量损失,探究了箝位机构输入力与输出力关系;考虑柔性铰链处变形以及末端导向机构的影响,利用伪刚体模型与柔度矩阵建立驱动机构的静力学模型;进一步提出了驱动器的单步步长模型。并依靠仿真对上述理论模型进行验证,同时对驱动器进行模态、应力等分析,分析驱动器结构设计的合理性。最后,在已有的结构模型、驱动原理、建模与仿真分析的基础上,加工尺蠖-粘滑复合驱动型旋转驱动器,并根据转角测量方法的需要搭建整体实验系统,对驱动器在尺蠖运动模式以及粘滑运动模式下的输出性能进行全面测试。包括在不同驱动频率、驱动电压下的速度分析,承载能力以及运动稳定性的测试。所设计驱动器在测试中能够实现精准的单步运动并具有良好的速度特性,对精密运动领域的步进式驱动器研究具有一定参考意义。

关键词：精密运动步进式驱动器尺蠖驱动粘滑驱动旋转驱动器

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多点接触粘滑驱动微动平台复合运动模型构建

轻工机械 2023年第6期41卷 17-25,57页

作者：崔希铭呼延鹏飞李鹏超黄雨霖西安工程大学机电工程学院陕西西安710048 西安工程大学西安市现代智能纺织装备重点实验室陕西西安710048

为了精确模拟基于多点接触粘滑驱动原理的微动平台动态微位移输出,验证粘滑驱动原理在微动平台应用的可行性,课题组基于4稳态电磁执行器的粘滑驱动微动平台,建立了一种复合动态模型。该动态模型包含4个子动态模型,即磁力计算模型、LuGr... 详细信息

为了精确模拟基于多点接触粘滑驱动原理的微动平台动态微位移输出,验证粘滑驱动原理在微动平台应用的可行性,课题组基于4稳态电磁执行器的粘滑驱动微动平台,建立了一种复合动态模型。该动态模型包含4个子动态模型,即磁力计算模型、LuGre摩擦模型、碰撞反弹模型和质心偏移模型;课题组在此基础上搭建了实验平台,研究了不同驱动电流对微动平台动态输出位移影响。结果表明:复合动态模型模拟动态位移输出与实验输出趋势基本一致,验证了所提出和建立的复合动态模型的有效性。

关键词：微动平台多点接触粘滑驱动复合动态模型移动永磁铁

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基于粘滑驱动的小型精密定位平台

基于粘滑驱动的小型精密定位平台

作者：娄成树南京航空航天大学

学位级别：硕士

微纳驱动技术作为纳米操作系统的关键技术之一,在显微系统、医疗科学、集成电路制造等众多领域中都得到了广泛的应用。然而在例如扫描探针显微镜等显微装置中,不仅需要在有限的操作空间内实现高精度定位和操作,同时也要求有更大的操作范... 详细信息

微纳驱动技术作为纳米操作系统的关键技术之一,在显微系统、医疗科学、集成电路制造等众多领域中都得到了广泛的应用。然而在例如扫描探针显微镜等显微装置中,不仅需要在有限的操作空间内实现高精度定位和操作,同时也要求有更大的操作范围,这就对微纳驱动技术的驱动方法和结构类型提出了新的挑战。本文提出了一种新型的基于粘滑驱动的小型精密定位平台,并对其中的关键技术进行研究。首先在粘滑驱动机理及运动特性研究方面。本文从粘滑驱动的工作原理入手,分析粘滑驱动的运动过程,并通过简化模型的方式建立了粘滑驱动运动学模型。基于该模型,分别分析了驱动频率、压电元件加速度等因素对粘滑驱动的影响。在粘滑驱动平台动力学建模及分析方面。首先通过联立压电叠堆电学模型、驱传动系统机械动力学模型以及LuGre摩擦模型,得到平台动力学模型。然后利用Matlab/Simulink软件对平台模型进行仿真并分析预压力、移动台质量等因素对粘滑驱动的影响。平台结构设计方面。该平台以压电叠堆作为驱动元件,将三种功能柔性铰链、惯性质量块以及弹性力传递元件组成定子基座作为传动机构,并通过ANSYS/Workbench软件对平台进行模态分析、强度校核等有限元仿真。并结合上述粘滑驱动系统理论分析,最终完成平台结构设计。最后在样机实验方面。首先利用开环测试系统,分别对位移、速度等性能参数进行测试,并将预压力、移动台质量等参数对平台步长的影响与仿真结果进行对比,从而验证模型正确性。最后利用添加位置反馈装置实现平台的闭环控制,通过调整电压、脉冲周期数等参数,提高平台定位精度。

关键词：微纳驱动技术粘滑驱动平台精密定位动力学建模

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一种粘滑驱动微操作系统的研究

一种粘滑驱动微操作系统的研究

作者：魏骏杨华南理工大学

学位级别：硕士

跨尺度精密定位技术是微纳操作领域中的关键技术。作为一种满足该技术要求的累积式驱动方法,粘滑驱动系统结构紧凑,驱动波形简单,具有理论与应用价值。本文设计了一种基于柔顺机构的粘滑驱动微操作系统,并以提高该系统驱动性能为目标。... 详细信息

跨尺度精密定位技术是微纳操作领域中的关键技术。作为一种满足该技术要求的累积式驱动方法,粘滑驱动系统结构紧凑,驱动波形简单,具有理论与应用价值。本文设计了一种基于柔顺机构的粘滑驱动微操作系统,并以提高该系统驱动性能为目标。主要研究内容如下:首先,粘滑驱动的实现受到驱动波形、系统动态特性、接触面摩擦力变化等诸多因素的影响。为进行定量分析并实现对系统的控制,通过抽象物理参数建立了系统的动力学模型。经讨论,将驱动机构简化为二阶质量-弹簧-阻尼模型,接触面摩擦学模型选用Lu Gre模型。针对柔顺机构的特点,对高频驱动下系统的可靠性进行了分析,给出了驱动波形参数许用值与压电陶瓷预紧力的关系式。其次,为抑制系统残余振动以提高粘滑驱动性能,对点阻滤波器、输入整形器两种开环前馈控制方法进行了研究。通过绘制残余振动比与上升时间比曲线,分析对比了两种方法的鲁棒性与响应速度。最后,对粘滑驱动系统进行了仿真分析,并搭建粘滑驱动微操作实验平台进行实验研究。仿真分析了驱动信号参数、二阶系统参数、运动块质量及预压力参数对驱动速度的影响,并且对开环前馈控制方法抑振效果进行了对比分析。仿真分析和实验结果均验证了理论模型的正确性和开环控制方法抑制残余振动、改善驱动性能的有效性。实验表明,柔顺机构的振动现象是制约微操作系统驱动性能的主要原因。

关键词：粘滑驱动残余振动前馈控制微操作

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基于粘滑驱动原理的精密旋转定位台的研究

基于粘滑驱动原理的精密旋转定位台的研究

作者：聂斌斌哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

纳米操作系统是指对纳米尺度物体进行操作或者是操作精度在纳米级的操作系统。基于SEM（扫描电子显微镜）的纳米操作系统由于其腔室空间大、能够进行实时图像反馈等特点，目前获得了较为广泛的应用。精密定位工作台是纳米操作系统的重... 详细信息

纳米操作系统是指对纳米尺度物体进行操作或者是操作精度在纳米级的操作系统。基于SEM（扫描电子显微镜）的纳米操作系统由于其腔室空间大、能够进行实时图像反馈等特点，目前获得了较为广泛的应用。精密定位工作台是纳米操作系统的重要组成部分，其性能决定了整个纳米操作系统的操作质量，因此一个运行稳定、性能优良的精密定位工作台对纳米操作系统具有重要意义。粘滑驱动是一种依靠摩擦力和惯性的新型驱动方式，采用这种驱动方式的定位工作台具有外形尺寸小、结构简单以及分辨率高等特点。本文的研究目标是研制一套基于粘滑驱动原理的精密旋转定位台系统，该系统能够作为基于SEM纳米操作系统的组成单元应用于SEM下纳米操作中。基于粘滑驱动原理，本文首先对精密旋转定位台的结构进行了设计。使用压电陶瓷作为动力源，采用了将直线位移转化成旋转位移的传动方案，并设计了相应的柔性铰链机构实现直线位移到旋转位移的转换，采用弹簧预紧的方式实现对摩擦力的调整。最终设计的精密旋转工作台具有体积小、重量轻、稳定性好以及360°无限旋转等特点。为了从理论上模拟精密旋转定位台的运动并分析各个参数对其运动的影响，本文建立了精密旋转定位台的动力学模型。在动力学模型中通过对比采用LuGre动态摩擦模型来表征摩擦力。利用MATLAB/Simulink对所建立的动力学方程进行仿真研究，结果表明所建立的动力学模型能较好的反映工作台的实际运动状况。为了能够实现对精密旋转定位台的运动进行控制，基于USB通信建立了定位台的控制系统。分别利用VC++6.0、Keil uVision2和CCS4.0设计了人机交互界面、USB固件程序以及DSP应用程序，同时完成了数模转换模块的硬件设计。最终能够通过PC机控制产生相应的驱动信号，实现对精密旋转定位台的灵活控制。最后，为了测试精密旋转定位台系统工作性能，本文建立了相应实验系统。实验主要包括对信号发生系统输出信号质量的测试、精密旋转定位粗定位以及精定位能力的测试。实验结果表明整个系统表现出优良的性能，达到了设计的要求。

关键词：精密旋转定位台粘滑驱动柔性铰链动力学模型信号发生系统

基于粘滑驱动原理的跨尺度纳米级定位平台研究

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基于粘滑驱动原理的跨尺度纳米级定位平台研究

作者：潘鹏苏州大学

学位级别：硕士

微纳技术的出现解决了许多工业和科学领域中存在的难题,给社会带来了巨大的经济价值。随着其不断的发展,微纳技术已经广泛应用于新材料制造、精密仪器设备制造、生物医学和航空航天等领域中。微驱动精密定位技术作为微纳技术的关键部分... 详细信息

微纳技术的出现解决了许多工业和科学领域中存在的难题,给社会带来了巨大的经济价值。随着其不断的发展,微纳技术已经广泛应用于新材料制造、精密仪器设备制造、生物医学和航空航天等领域中。微驱动精密定位技术作为微纳技术的关键部分,其发展水平严重影响了微纳技术的发展。传统的微驱动精密定位技术中能够获得较高精度的位移,但是运动范围较小。当应用传统的微驱动精密定位技术获得较大行程时,其设备尺寸往往较大。然而,随着微纳技术的不断发展,被操作对象的尺寸越来越小,自动化要求越来越高,这需要借助电子扫描显微镜（SEM）等工具对被操作对象进行实时的观察,从而达到自动化精确操作。但由于电子扫描显微镜（SEM）真空腔体积较小,传统的微驱动精密定位技术因为尺寸问题无法应用于该设备中。因此具有纳米级精度,毫米级行程,尺寸较小的新型微驱动定位技术已经成为微纳技术中急需解决的问题。这对精密定位技术的运动方法和结构设计提出了新的挑战和要求。本文就是在这种背景下,提出了一种新型的跨尺度微驱动精密定位技术—粘滑驱动技术,并对其关键技术进行分析与研究。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,本文针对现有的跨尺度精密定位技术方法及各自的优缺点,提出了基于粘滑驱动原理跨尺度纳米级定位平台设计方案。本文分别从粘滑驱动定位平台的设计,粘滑驱动定位平台的通用一体化动力学模型的建立和分析,以及样机的实验等方面进行深入研究。在定位平台设计方面,为了使定位平台能够同时满足纳米级精度,毫米级行程,尺寸较小的要求,本文采用了粘滑驱动原理来设计定位平台。定位平台采用压电陶瓷致动器作为驱动元件,采用平行板柔性铰链作为传动机构实现位移的传递。为了使设计的粘滑驱动定位平台能够分别实现水平和垂直方向上的运动,设计了摩擦力调节机构。此外,摩擦力调节机构可用于提高定位平台的运动性能。在粘滑驱动定位平台动力学模型的建立方面,分别对驱动元件建立电学模型和机械模型,并对驱动元件,柔性机构建立驱传动动力学模型,并结合LuGre摩擦模型,建立适用于定位平台在水平方向上运动和垂直方向上运动的通用一体化动力学模型。在对粘滑驱动定位平台进行动力学仿真方面,分别对水平运动的粘滑驱动定位平台和垂直运动的粘滑驱动定位平台进行动力学仿真,分析平台水平和垂直运动时,各个参数对定位平台的性能的影响。同时分析定位平台实现垂直方向的往返运动时所需要满足的条件。基于上述仿真结果,对粘滑驱动定位平台进行最终结构优化,并对传统的锯齿波进行改进,提升定位平台的性能。在粘滑驱动定位平台样机设计与实验系统方面,根据粘滑驱动定位平台的特点,搭建了合适的实验系统。根据上述仿真得到的最佳方案,加工出两种新型的定位平台样机。对定位平台在水平方向运动和垂直方向运动的性能进行测量,得到定位平台的速度与位移曲线以及分辨率等参数。其次,对所加工的定位平台性能影响因素进行测验,验证粘滑驱动系统一体化动力学模型正确性。同时,设计了合理的驱动信号用于提高粘滑驱动定位平台的性能。

关键词：跨尺度微驱动粘滑驱动纳米级定位

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基于粘滑驱动的精密定位台建模与控制

基于粘滑驱动的精密定位台建模与控制

作者：梁帅哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

基于SEM（Scanning Electron Microscopy）的微纳操作机器人因具有良好的视觉反馈实时性，纳米级观测分辨率以及高真空操作环境，受到了各研究领域的广泛关注。但是，应用于SEM中的纳米精密定位台多基于开环定位控制，这类系统往往存在... 详细信息

基于SEM（Scanning Electron Microscopy）的微纳操作机器人因具有良好的视觉反馈实时性，纳米级观测分辨率以及高真空操作环境，受到了各研究领域的广泛关注。但是，应用于SEM中的纳米精密定位台多基于开环定位控制，这类系统往往存在稳态定位误差，且抗干扰能力差，从而影响了纳米精密定位台的定位精度。针对以上问题，本课题在满足SEM定位要求的基础上，设计并实现了纳米精密定位台的反馈控制定位。纳米精密定位台基于粘滑驱动原理。本文提出一种新的摩擦力模型—LS模型。LS模型仅包含7个参数，适合用于与摩擦力相关的仿真计算。仿真结果表明，LS模型可以准确描述摩擦力的各项性质，诸如Stribeck效应，迟滞性，频率独立性以及非局部记忆现象（nonlocal memory）。基于LS模型，建立纳米精密定位系统动力学模型。仿真结果表明，该动力学模型能够准确描述定位系统的运动特性。设计基于粘滑驱动的纳米精密定位台控制方案，建立压电陶瓷—柔性铰链串联系统动力学模型。该模型能够准确描述压电陶瓷及柔性铰链的主要性质。针对压电陶瓷高速驱动的特点，采用前馈-PID控制方案，完成压电陶瓷位移闭环控制。仿真结果显示，前馈-PID控制方式显著提高了系统的响应速度，使系统获得了更好的动态特性。针对SEM内腔空间狭小，禁磁等特点，提出预测开关式控制方法。仿真结果显示，预测控制方法使系统震荡以及稳态误差均明显减小。搭建基于粘滑驱动的纳米精密定位台实验系统，检测纳米精密定位台工作性能。实验结果显示，通过对压电陶瓷进行前馈-PID控制，使压电陶瓷获得了较好的重复定位精度;并且在前馈-PID控制下，压电陶瓷动态性能得到明显改善。通过预测开关控制的纳米精密定位台具有较好的定位一致性。实验结果表明该闭环控制定位系统能够满足SEM中的纳米精密定位要求。

关键词：粘滑驱动纳米精密定位台摩擦模型动力学模型定位控制