柔顺偏摆微动台结构设计及控制方法研究

摘要

微定位和微操作系统是很多先进仪器装备中的基础部分之一，系统中可实现超高分辨率和定位精度的微动机构是其关键零部件。偏摆微动台是可实现精确对准或指向的一类微动装置，其在半导体制造、激光工程、量子电子学、微器件装配及光学望远镜等领域具有重要应用。近年来，偏摆微动台对运动分辨率及定位精度的要求已进入微纳米级，基于柔性铰链的柔顺机构成为开发高精度偏摆微动台的重要途径。本文在国家自然科学基金及江苏省产学研项目的资助下，以提高柔顺偏摆微动台的定位精度和稳定性为目标，通过开发新型柔性铰链及优化位移放大机构，探索了应用全平面柔顺机构开发空间结构柔顺偏摆微动台的模块化设计方法，基于此研究了柔顺偏摆微动台的静力学及动力学建模与分析方法，建立了柔顺偏摆微动台的精密定位控制系统，研究了偏摆微动台的解耦及压电磁滞补偿控制方法，实现了偏摆微动台的轨迹跟踪控制，主要完成了以下研究内容：
　　1.基于平面柔顺机构的柔顺偏摆微动台模块化设计方法研究。基于矩形截面的平面直梁及平面曲梁提出了全平面多自由度柔性铰链，建立、分析及验证了其三维柔度模型；建立了平面柔顺桥式位移放大机构的通用构型理论模型，实现了桥式位移放大机构的构型优化；应用多自由度柔性铰链模块及位移放大模块实现了柔顺偏摆微动台的模块化样机设计。
　　2.空间结构柔顺偏摆微动台的静力学分析方法研究。应用卡氏位移定理建立了基于柔顺杠杆机构及圆柱型柔性铰链的柔顺偏摆微动台的静力学模型，基于柔顺偏摆微动台的平面等效模型，建立了微动台的三维准静态运动学分析。应用柔度矩阵法及柔顺桥式机构的平面静力学模型，建立了柔顺偏摆微动台多输入多输出的三维静力学分析，完成了柔顺偏摆微动台静力学分析的有限元及实验验证。
　　3.柔顺偏摆微动台的动力学分析方法研究。系统的给出了空间柔顺机构的集中参数建模过程，建立了微小变形下的系统动能及系统势能方程，给出了应用拉格朗日方程建立空间柔顺机构三维动力学方程的过程，实现了柔顺桥式机构及柔顺偏摆微动台的三维动力学建模及分析，完成了动力学分析的有限元仿真验证。
　　4.柔顺偏摆微动台的精密定位控制研究。应用最小二乘法实现了柔顺偏摆微动台的运动学模型及压电驱动器Bouc-wen磁滞模型参数的同时辨识，设计了基于偏摆微动台逆运动学模型和压电驱动器逆磁滞补偿的前馈-反馈复合控制系统，搭建了柔顺偏摆微动台的控制系统实验平台，实现了柔顺偏摆微动台的三维轨迹跟踪实验。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1研究背景及课题来源（Introduction）

1.2 国内外研究现状（Literature Review）

1.3 研究目标及论文框架（Research Aims and Thesis Structure）

1.4 本章小结（Summary）

2 柔顺偏摆微动台的结构设计

2.1 概述（Introduction）

2.2 柔顺偏摆微动台的结构方案（ Mechanical Design of the Compliant Tip-tilt Micropositioning Stage）

2.3 多自由度柔性铰链设计（The Rotating Symmetric Multi-DOF Flexure Hinges）

2.4 柔顺桥式位移放大机构设计（Design of the Compliant Bridge Amplification Mechanisms）

2.5 柔顺偏摆微动台的模块化设计及实现（Modular Design of the Compliant Tip-tilt Micropositioning Stages）

2.6 本章小结（Summary）

3 柔顺偏摆微动台的静力学分析方法研究

3.1 概述（Introduction）

3.2 基于卡氏位移定理的柔顺偏摆微动台静力学分析（ Static Analysis of the Compliant Tip-tilt Stage Using Castigliano's Method）

3.3 基于柔度矩阵法的柔顺偏摆微动台静力学分析（ Static Analysis of the Compliant Tip-tilt Stage Using Compliance Matrix Method）

3.4 本章小结（Summary）

4 柔顺偏摆微动台的动力学分析方法研究

4.1 概述（Introduction）

4.2 空间柔顺机构的三维动力学建模过程（Lagrange’s Equations for Spatial Compliant Mechanisms）

4.3 柔顺桥式位移放大机构的动力学建模及分析（ Dynamic Analyses of the Compliant Bridge Mechanisms）

4.4 柔顺偏摆微动台的动力学建模（ Dynamic Model of the Compliant Tip-tilt Stage）

4.5 本章小结（Summary）

5 柔顺偏摆微动台的精密定位控制

5.1 概述（Introduction）

5.2 柔顺偏摆微动台精密定位实验系统（Experiment Apparatus for the Precision Control of the Compliant Tip-tilt Stage）

5.3 柔顺偏摆微动台精密定位控制系统设计（Control Design for the Compliant Tip-tilt Stage）

5.4 压电陶瓷驱动器的磁滞建模及微动台运动学参数辨识（ Parameter Identification for the Hysteresis Model and the Kinematic Model）

5.5 柔顺偏摆微动台精密定位控制实验研究（Control Experiments of the Compliant Tip-tilt Stage）

5.6 本章小结（Summary）

6 结论与展望

6.1 研究结论（Conclusions）

6.2 主要创新点（Principal Contributions）

6.3 研究展望（Future Work）

参考文献

作者简历

学位论文数据集