高精密定位平台的位移耦合控制方法研究

摘要

超精密加工、微/纳检测、微装配与微调整、微机器人等高精密领域对现有加工、检测、操作装备提出了新的要求和挑战。不仅要求装备具有超高的精度和大的运动行程，还要求其结构微型化、节能化及低成本。本文依托于重庆大学机械传动国家重点实验室，在实验室自主开发项目与访问学者基金的大力资助下，针对大行程、多自由度、高精度等设计要求，研制的全柔顺台式微/纳装备，利用超高精度的压电陶瓷驱动器及其监测控制系统、无机械间隙的微/纳传动平台，可实现多自由度的微/纳定位与传动（三维移动及二维转动）、微型零部件的超精密机械微/纳加工、微装配、微调整等功能。对提升我国高精密工业水平具有推动作用，为未来工程应用及微型化工厂的形成奠定基础，具有重要的理论研究意义及潜在的应用前景。
　　目前应用在精密机械设备上的定位平台存在控制困难，自由度少，分辨率低，定位精度不足等技术难点，严重影响了设备的对准效率和加工精度。本文应用现代机械设计方法和系统控制理论，对定位工作台机构的运动机理、多自由度工作位姿、系统输入输出刚度、位移耦合、定位影响因素、解耦算法、控制方法及方案、误差建模与定位性能评价等问题开展了理论研究，并进行微/纳传动平台定位性能的试验研究。研究内容主要包括：
　　①应用柔顺机构学、精密机械学、伪刚体模型法的基本理论及分析方法，综合分析了全柔顺微/纳传动平台的传动与定位原理，探索了系统的基本运动规律及复合微运动特性，建立了微/纳传动平台的微传动数学模型，分析了微/纳传动平台微传动的运动学及复合微传动变化关系及变化规律等，揭示了微/纳传动平台微传动的机理及特性。
　　②应用创新机构设计、有限元数值分析、现代控制算法等理论，分析了微/纳传动平台单、多自由度位移耦合，探索了影响其定位精度的关键因素，建立了微/纳传动平台的解耦控制算法，分析了微/纳传动平台多自由度解耦控制方法，确定了系统的解耦控制模型。
　　③应用自动控制理论，进行了压电陶瓷的本征分析，建立了微/纳传动平台的定位控制方案，研究了微/纳传动平台的定位控制方法及反馈信号的采集方法；探索了平台的反馈控制过程，构建了微/纳传动平台的最佳控制方案，设计了闭环PID复合解耦控制器，掌握了微/纳传动平台定位与传动的规律和控制方法。
　　④利用设计的5-DOF微/纳传动定位系统，进行了解耦仿真和试验，验证了位移耦合分析理论的准确性，探索了纳米压印光刻机定位平台的主动控制设计与多尺度定位性能评价方法，解决了压印模板与基片的平行对准问题，与同型号产品进行定位性能对比，其可靠性及操作的灵活性均获得了满意的效果。

目录

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目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 微/纳米级定位系统的国内外研究现状

1.3 本论文的主要研究内容

1.4 本章小结

2 微/纳传动平台的传动与驱动原理

2.1平台的传动原理

2.2平台驱动器的驱动原理及特性

2.3 本章小结

3 微/纳传动平台的定位精度分析

3.1定位精度影响因素分析

3.2 微/纳传动平台的结构与刚度分析

3.3 微/纳传动平台单自由度解耦控制方法

3.4 微/纳传动平台多自由度解耦控制方法

3.5 本章小结

4 微定位系统闭环控制方法

4.1 压电陶瓷Preisach模型的建立

4. 2 PZT与微/纳传动平台的匹配

4.3微定位系统信号采集方法与控制策略

4.4 微/纳传动平台PID控制器设计

4.5本章小结

5 微/纳传动平台位移耦合仿真与应用

5.1 有限元仿真

5.2实验研究

5.3微/纳传动平台在纳米压印光刻机中的应用

5.4多尺度定位性能评价

5.5 总性能指标

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作与展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目目录