空间分布压电驱动的多自由度微定位工作台位姿控制模型与实验研究

摘要

微定位机构是指行程小(一般小于毫米级)、精度高(亚微米级、纳米级)、灵敏度高的机构，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的静态和动态补偿部件。许多高科技领域都需要微定位技术的支持，压电微定位技术由于有诸多优点，正成为近年国内外的研究热点。 本文在深入分析研究了国内外微定位技术的基础上，研究了一种空间分布压电驱动的多自由度微定位新技术，完成了微定位工作台定位原理研究，建立了微定位工作台位姿控制模型。采用空间并列分布式压电驱动实现微定位工作台的三维平移和三维旋转。在四层平行平板间并列分布九个PZT微驱动器，每层的三个驱动器摆放在一个正三角形的三个顶点上。建立了九个PZT微驱动器伸缩量组合与最上层平板位置、姿态之间转换的位姿控制模型，通过分别控制九个PZT微驱动器的单个伸缩量，实现载物台(最上层平板)的六自由度微定位。 开展了PZT微驱动器特性的研究与实验，提出了在本项目中减小PZT微驱动器自身误差的方法。 设计了空间分布压电驱动的多自由度微定位实验系统，将多路PZT微驱动器、电感传感器、A/D转换卡、计算机、D/A转换卡、PZT驱动电源集成为定位控制实验系统，采用VisualBasic6.0语言编写了控制软件，设计了实验方案并进行了实验研究。 对微定位系统进行了初步的误差分析，提出了改进措施。 本文研究的空间分布压电驱动的多自由度微定位新技术，从运动原理上消除了各运动方向间的干扰，从而达到将运动方向间的交叉耦合误差减小至可以忽略的数量级。完成六自由度微定位工作台系统集成，实现低干涉、高分辩力、超微进给的高精度三维平移和三维偏转。为MEMS和光通信部件制造以及其它高科技领域的超精密定位工作台的研制提供实用新技术。 实验结果验证了本文研究的空间分布压电驱动的多自由度微定位方案的正确性和实用性，为进一步的工作奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1课题的研究意义

1.2微定位技术的国内外研究现状

1.2.1机械传动式微定位机构

1.2.2弹性变形传动式微定位机构

1.2.3直线电机式微定位机构

1.2.4形状记忆合金微定位机构

1.2.5磁致伸缩微定位机构

1.2.6柔性铰链式微定位机构

1.2.7压电微定位机构

1.3本文主要内容

2微定位系统定位原理与位姿控制模型研究

2.1微定位工作台定位原理

2.2位姿控制模型

3微定位工作台机构设计

4微定位工作台控制系统研究

4.1压电陶瓷简介

4.2 PZT微驱动器特性与改善措施研究

4.2.1位移特性

4.2.2迟滞特性

4.2.3蠕变特性

4.2.4输出力—位移特性

4.2.5非线性

4.2.6温度特性

4.2.7位移重复性研究

4.3 PZT微驱动器控制方案的分析比较

4.3.1平均曲线法

4.3.2自学习控制

4.3.3前馈控制法

4.3.4软件补偿控制法

4.3.5闭环控制

4.4控制系统组成

4.4.1位移测量元件

4.4.2 D/A转换卡

4.5 PZT微驱动器驱动电源研究

4.5.1驱动电源的技术要求

4.5.2 PZT驱动电源方案分析比较

4.5.3本文采用的PZT微驱动器驱动电源工作原理分析

4.6微定位工作台定位的实现

4.6.1控制模型

4.6.2控制软件

5微定位工作台实验研究

5.1实验设计

5.2实验结果

5.3误差分析与改进

6全文总结

致谢

参考文献

附录A作者在攻读硕士学位期间所发表的论文目录

附录B PZT微驱动器电压—位移特性实测曲线