三自由度精密定位工作台的设计与研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 1.83MB 68 页 15积分
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摘 要
进入二十一世纪，为了满足现代航天、微型机器人、微电子系统等高科技产
业发展的需要，对现代加工制造业提出了更高的要求，对加工精度和加工质量的
要求不断提高。精密加工技术已成为世界各国重点研究的领域，而具有高精度定
位和多自由度运动的微位移系统是实现精密加工和异形曲面加工的关键。本文结
合工程实际应用，以多自由度精密定位工作台为研究对象，该对象可作为精密磨
床和车床上的微进给器，其研究具有重要的理论价值和实用意义。
微位移工作台利用压电陶瓷的逆压电效应，具有比其它微位移装置更多的优
点，如体积小、位移分辨率高、位移重复性好、响应速度快、输出力大、可结合
正压电效应实现自感知压电控制，是具有广阔应用前景的微位移驱动元件。本文
以压电陶瓷堆自感知特性、正圆柔性铰链、差动放大机构和史密斯补偿控制系统
理论为基础，系统的研究面向精密加工的压电自感知微位移工作台的设计和应
用，开发了压电自感知微位移装置。本文的主要工作及贡献如下:
(1) 进行了微位移系统的总体方案设计；
(2) 自行制作了自感知压电陶瓷堆，并对其进行性能分析与数学建模，对
压电自感知方法进行了验证，给出了试验数据；
(3) 在分析柔性铰链基础上，设计了二级差动放大机构，并进行了理论计
算和实验测试。对柔性铰链和放大机构进行建模，并用有限元方法分析了采用柔
性铰链放大机构的微位移工作台的静态和动态特性；
(4) 进行微位移工作台的控制系统研究，开发了压电自感知控制系统和改
进型史密斯补偿控制系统，以解决压电陶瓷迟滞、蠕变等非线性因素及外界环境
的干扰并进行了仿真测试。
本文将创新的自感知压电陶瓷堆应用于微位移工作台上，实现驱动与测量一
体化。通过理论分析、有限元仿真和实验，结果表明压电驱动微位移工作台系统
设计与压电陶瓷堆自感知方法是正确和有效的，具有应用推广价值。
关键词：压电陶瓷 微位移 自感知 史密斯补偿
ABSTRACT
Stepping into the 21st century, with the requirement of aeronautics, integrated
electronic manufacture, MEMS, manufacture technology for high precision and high
quality is required. Precision machining technology is a research field mainly
sponsored by the country, and micro-positioning system with high performance is the
key to realize precision machining. Closely related with the practical problems in
engineering, this dissertation deals with positioning worktable for precision grinding
machine tool in order to improve machining accuracy.It is highly worth of researching
and has real engineering value.
PZT ceramic has superior characteristics in micro position system than other
actuators, such as small volume, high motion resolution&repetition accuracy, rapid
motion speed, big output force and relative simple control method, and it's a widely
used actuator in micro position system. A useful micro precision table in engineering
was developed based on the motion characteristics of PZT actuator, parallel flexure
hinge design theory,control system theory and micro-positioning sensor.Design and
application of the self-sensing PZT driven micro-positioning table were studied.The
main work and achievements are illustrated as follows.
(1)The blue print design of the micro position system is considered as a whole.
(2)Manufacture Piezoelectric ceramic stack by myself, The displacement
characteristics of the PZT actuator is analyzed and tested. The n on-linear model of
the PZT actuator was also made and the data was given.
(3)Based on the right angle flexure hinge, a 2 Differential Amplifier is designed
and t ested.The model of the flexure hinge and the table were setup, and the vibration,
static and the dynamic characteristics of the platform were deduced with the finite e
lements analysis.
(4)Based on the analysis of the micro position close loop control system,
self-sensing PZT control system and adaptive fuzzy-smith control system was
developed which was tested to be effective to conquer the hysteresis,creep and the
disturbance of the environment.
The paper use Innovative self-sensing PZT on micro position worktable,which can
Integrate driving part and testing part.By theoretical analysis, FEM simulation and
experimentation, demonstrate the correct and with effect of the self-sensing PZT
micro position worktable system design and self-sensing PZT methord,has the value
of application and to popularize.
Key Word：Piezoelectric Ceramic, Micro Displacement, Self-sensing,
Smith Compensation
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ..................................................... 1
§1.1 研究微位移机构及控制系统的背景和意义 ........................ 1
§1.2 国内外的研究现状 ............................................1
§1.2.1 微位移机构的研究 ........................................2
§1.2.2 柔性支承微动机构的研究 ..................................8
§1.2.3 压电驱动微位移系统控制方法的研究 .......................11
§1.3 课题任务与目标 .............................................12
第二章 压电陶瓷特性研究 ........................................... 14
§2.1 压电陶瓷的正逆压电效应 .....................................14
§2.1.1 正压电效应 .............................................14
§2.1.2 逆压电效应 .............................................14
§2.2 压电陶瓷堆结构和自感知原理 .................................14
§2.2.1 压电陶瓷堆结构 .........................................14
§2.2.2 自感知原理 .............................................15
§2.3 压电陶瓷堆微位移性能测量 ...................................16
§2.3.1 实验目的 ...............................................16
§2.3.2 实验设备 ...............................................16
§2.3.3 迟滞特性 ...............................................18
§2.3.4 压力特性 ...............................................19
§2.3.5 输出力特性 .............................................20
§2.3.6 位移分辨率 .............................................21
§2.4 压电陶瓷堆的非线性建模 .....................................21
§2.4.1 压电陶瓷堆非线性建模目的和方法 .........................21
§2.4.2 实验数据和分析 .........................................21
§2.5 压电陶瓷堆自感知研究 .......................................27
§2.5.1 低频信号测试实验 .......................................29
§2.5.2 高频信号测试实验 .......................................29
§2.6 小结 .......................................................30
第三章 微位移工作台设计及特性分析 ................................. 31
§3.1 柔性铰链设计 ...............................................31
§3.1.1 柔性铰链的原理分析 .....................................31
§3.1.2 正圆铰链各参数对转角刚度的影响 .........................32
§3.2 柔性铰链放大机构的结构设计 .................................33
§3.2.1 结构设计 ...............................................33
§3.2.2 有限元分析 .............................................36
§3.2.3 实验分析 ...............................................38
§3.3 微位移工作台的设计 .........................................40
§3.3.1 机构设计 ...............................................40
§3.3.2 工作台的运动分析 .......................................41
§3.3.3 有限元分析 .............................................42
§3.4 小结 .......................................................45
第四章 自感知压电驱动工作台控制系统研究 ........................... 47
§4.1 引言 .......................................................47
§4.2 PID 控制 ................................................... 47
§4.2.1 PID 控制概述 ........................................... 47
§4.2.2 PID 控制算法 ........................................... 48
§4.2.3 PID 控制参数整定 ....................................... 48
§4.2.4 系统仿真 ...............................................51
§4.3 改进型史密斯补偿控制 .......................................52
§4.3.1 主控制器参数整定 .......................................52
§4.3.2 系统仿真 ...............................................53
§4.4 自感知压电驱动柔性补偿平台控制系统 .........................54
§4.4.1 压电陶瓷堆自感知模块 ...................................55
§4.4.2 改进型史密斯补偿控制模块 ...............................55
§4.4.3 自感知压电驱动柔性平台控制系统仿真 .....................56
第五章 结论与展望 ................................................ 60
参 考 文 献 ....................................................... 61
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 63
致 谢 ............................................................ 64
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 研究微位移机构及控制系统的背景和意义
随着科学技术的飞速发展，越来越多的领域需要采用微位移系统。如在医学
上，脑外科手术和扫描探针显微镜；在生物科学上，生物细胞的切割；在精密制
造上，微细加工和集成电子制造的精密定位等。高精度高分辨率的微位移系统是
精密加工、精密测量、微型机器人研制等过程中的关键部份。其研究水平也是衡
量各国高科技技术水平的重要依据。
微位移机构和控制系统是微位移系统中的核心部分。其中，微位移机构主要
由驱动元件和传递机构两部分组成。目前，作为微位移驱动的元件种类很多，如
机电驱动类，电磁驱动类等。由于压电陶瓷具有体积小，承载力大，精度高，位
移分辨率高、效率高、刚度好、易于控制及伸长时无能量消耗、不发热等特点，
并且不产生噪声，成为目前很有前途的一种微位移驱动元件[1]。传递机构主要有机
械式、电磁式和热变形式等传递方式，根据应用的环境不同采用不同的传递方式。
压电陶瓷在微位移机构中的工作机理主要是根据压电材料的逆压电效应，在
陶瓷的两个电极上施加一定的电压，压电材料会产生一定的微小位移量。通过控
制所施加的电压的大小来控制压电陶瓷输出的位移量。
根据压电陶瓷的逆压电特性，其在机床微进给技术中得到了重要应用，成为
微进给器。微进给器是精密加工机床和超精密加工机床的主要部件。用压电陶瓷
作为关键部件的移进给器具有灵敏度高、响应快、易于控制、性能稳定等优良特
性[2]。根据压电陶瓷的正压电特性，其在压力传感器上的应用也很广泛。
§1.2 国内外的研究现状
随着电子技术、宇宙航天、生物工程等学科的发展，用压电陶瓷驱动的微位
移机构种类越来越多，应用领域也越来越广泛。世界各国的学者对微位移机构及
其控制算法也进行了广泛而深入的研究。它已成功应用于高科技领域，如机器人
微位移定位器、磁头、喷墨打印、扬声器和光跟踪系统以及压电式刀具补偿机构
等等[ 3]。表 1-1 列举了目前国内外应用微位移技术的应用实例[ 4]。
表 1-1 亚微米级微位移技术
国别
厂家
导轨形式
驱动方式
行程
分辨力
/
m
位移精
度/
m
应用设
备
美国
HP 公司
滚珠
0.008
0.016
电子束
曝光机
三自由度精密定位工作台的设计与研究
2
NBS
柔性支承
压电
50
m
0.001
Micronix
柔性支承
压电
0.02
X射线
曝光机
GCA
弹性导轨
直线电动
机
0.03
图形发
生机
BTL
气浮导轨
静摩擦力
0.1
分步重
复相机
Yosemite
滚动导轨
伺服电动
机
100mm
0.01
0.01
电子束
曝光机
Burleigh
滚动导轨
压力尺蠖
25mm
0.01
日本
日立制作
所
柔性支承
压电
8
m
0.05
电子束
曝光机
东北大学
弹性导轨
电磁
0.1
图形发
生机
武藏野
弹性导轨
电磁
20
m
0.01
X射线
曝光机
弹性导轨
电磁、压电
20
m
0.03
0.1
X射线
曝光机
富士通
气浮导轨
楔块、丝杆
2mm
0.03
掩膜对
准机
中国
上海电气
科学研究
所
滚珠导轨
压电
6.4
m
0.08
图形发
生器
电子工业
部45 所
弹性导轨
电致伸缩
20
m
0.08
分步重
复照相
机
国防科大
柔性支承
电致伸缩
20
m
0.1
车床微
进给
哈尔滨工
业大学
柔性支承
步进电机
20
m
0.01
0.05
车床微
进给
清华大学
滚珠导轨
楔块、丝杆
300
m
0.05
0.25
投影光
刻机
弹性导轨
弹性缩小
10
m
0.01
0.2
滚珠导轨
压电
2
m
0.16
自动分
步相机
§1.2.1 微位移机构的研究
微位移机构是指行程小(一般小于毫米级)、精度高(亚微米、纳米级)和灵敏
第一章 绪论
3
度高的机构，它是精密机械和精密仪器的关键部件之一，它既可作为微进给和微
调部件，也可作为工艺系统误差静态和动态补偿的关键部件[5]。常见的微位移机构
主要有以下这些：
1. 机械式微位移机构
机械式微位移机构是最常见的微位移机构。传统机械式微位移机构包括螺旋
式微位移机构、杠杆机构、楔块凸轮机构等[6]。但是这些机械式微位移机构中普遍
存在机械间隙、摩擦磨损以及爬行等问题，一般很难达到较高的精度，常用于一
般精度的微位移机构。
螺旋式微位移机构是机械式微位移机构中最常使用的一种机构。螺旋式微位
移机构的结构如图 1-1 所示，它利用螺杆螺母配合，通过旋转螺杆 2将具有较大旋
转角度的旋转运动转化为螺母 1微小的直线位移运动。其结构简单、制造维修方
便。
图1-1 螺旋式微动机构简图
螺母 1的直线位移
s
与螺杆 2的旋转转角
关系为：
2
t
s
（1-1）
t
为螺杆螺距，若螺距
t
恒定则在螺杆与螺母配研和传动平稳时，控制转角
的
大小即可得到微位移 s，其精度可达 10μm。它被广泛应用于微调和测量机构，如
千分尺等。
为了提高机构的微位移灵敏度，可采用如图 1-2 所示的差动螺旋式微位移机
构。它的螺杆 1 有两段螺距分别为
1
t
和
2
t
的螺纹，
2
t
大于
1
t
且螺旋方向相同，则螺
母2的微位移(即输出位移)
s
为[6]：
2
)( 21
tts
（1-2）
式中φ为手轮转角。当
1
t
与
2
t
相接近时，可获得较高的微动灵敏度。
摘要：

摘要进入二十一世纪，为了满足现代航天、微型机器人、微电子系统等高科技产业发展的需要，对现代加工制造业提出了更高的要求，对加工精度和加工质量的要求不断提高。精密加工技术已成为世界各国重点研究的领域，而具有高精度定位和多自由度运动的微位移系统是实现精密加工和异形曲面加工的关键。本文结合工程实际应用，以多自由度精密定位工作台为研究对象，该对象可作为精密磨床和车床上的微进给器，其研究具有重要的理论价值和实用意义。微位移工作台利用压电陶瓷的逆压电效应，具有比其它微位移装置更多的优点，如体积小、位移分辨率高、位移重复性好、响应速度快、输出力大、可结合正压电效应实现自感知压电控制，是具有广阔应用前景的微位移...

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作者：赵德峰 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：68 页 大小：1.83MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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