基于压电叠堆的大力矩微位移平台研究

摘要

作为精密工程和精密仪器关键技术之一的高精度微位移技术在大规模集成电路的制造与检测、生物芯片技术、纳米技术、光学组件定位、光纤对接、微电子产品制造、精密和超精密加工、精密操作、精密测量、生物医学工程、材料表面原子结构分析等许多尖端领域的应用越来越广泛。微位移定位技术的发展与国家在国防军工和国民经济领域的进步息息相关，它的各项技术指标是各国高科技发展水平的重要标志。随着微电子技术、通讯技术和超精密加工等技术的高速发展，对精密定位技术的要求越来越高，有些应用领域要求系统具有纳米级的分辨率，亚微米甚至纳米级的重复定位精度。因此，微位移工作平台被要求具有大行程、高精度、小体积和快速响应等技术要求。
　　论文首先，对课题研究的重要性和意义进行阐述，并对微位移平台的构成、国内外的研究现状，以及论文的研究内容进行介绍。
　　其次，介绍了压电材料的压电效应与压电方程、压电陶瓷的参数特性和压电叠堆的工作原理和基本特性。对有限元分析方法进行了阐述，并在此基础上，利用有限元分析软件ANSYS对压电叠堆进行建模，对其位移输出特进行了分析。结果表明，在一定条件下，压电叠堆的输出位移与所施加的电压呈良好的线性关系，且一定长度的压电叠堆，压电陶瓷片越薄，输出位移越大。
　　第三，针对压电叠堆位移输出量小的特点，提出了位移放大机构方案，设计了基于正交三角放大原理的压电叠堆钹型位移放大致动器。介绍了放大机构的工作原理。运用静力学分析方法和能量法，对位移放大机构的工作特性进行计算分析;运用ANSYS有限元软件，对位移放大机构从静态和动态两个方面进行计算分析。对位移放大致动器的静态和动态特性进行测试分析。理论分析和实际测试都证明基于正交三角放大原理设计并制造的压电叠堆位移放大致动器不仅能提供较大的输出位移和输出力矩，而且具有优秀的静态和动态特性，完全能用作微位移平台的驱动器。
　　第四，利用压电叠堆和三角放大原理设计并制造了一个高精度、大力矩、响应快速的微位移平台。利用有限元分析了这一平台的位移和应力变化情况，以及平台的振动模态和动态特性。同时，运用激光测试的方式，对这个平台的特性进行测试。通过静态特性测试和动态特性测试，可以看出这个微位移平台能稳定快速地输出较大位移。针对在特性测试中，压电材料的滞后和蠕动特性提出有效的控制方式，实现快速准确的定位。运用LabVIEW对基于压电叠堆微位移平台的驱动系统进行设计开发。分别对开环控制、增量型PID的闭环控制和基于MatLab实现的神经网络PID闭环控制三种定位控制策略进行了设计和分析。
　　最后，实验结果表明，相比开环控制，PID的闭环控制在不影响微位移平台响应速度的基础上，克服了压电材料的滞后和蠕变影响，因此定位的精度和准确性都能得到很好的保证。而基于BP神经网络PID参数自整定可以避免人工参数整定的繁琐和不及时，进一步提高了这一微位移平台驱动系统的实用性和定位的准确快速性，值得进一步在实际中进行开发应用。
　　论文从微位移平台的构成出发，从压电叠堆，到基于三角放大原理的钹型位移致动器，再到微位移平台，从理论分析、样机制作和实验测试等多反面多角度对微位移平台进行阐述。同时，考虑到压电材料的磁滞和蠕变等特性，针对微位移平台研制了带闭环的驱动控制系统。最终研制出一种具有高精度、大行程、大力矩、响应快速的微位移平台。外形尺寸115mm×115mm×20mm，最大位移量140μm×140μ m;重复精度±0.02μ m，最大负荷250N。

目录

声明

摘要

图表目录

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 微位移平台构成

1．2．1 微位移驱动器

1．2．2 微位移平台驱动机构

1．2．3 控制方式

1．3 国内外研究现状

1．3．1 微位移平台结构

1．3．2 特性和控制方式

1．3．3 PID控制器参数整定的发展与现状

1．3．4 压电型微位移平台当前存在的问题

1．4 论文研究内容及结构

第二章 叠层型压电陶瓷致动器

2．1 压电材料方程及特性

2．1．1 压电方程

2．1．2 压电陶瓷的参数特性

2．2 叠层型压电致动器的基本理论

2．2．1 叠层型压电致动器的构成及工作原理

2．2．2 叠层型压电致动器的特性

2．2．3 压电叠堆动力学模型

2．2．4 压电叠堆等效电路

2．3 叠层型压电致动器有限元分析

2．3．1 压电叠堆的有限元模型建立

2．3．2 位移输出特性

2．4 小结

第三章 基于压电叠堆的位移放大致动器理论分析

3．1 位移放大致动器的样机设计及工作原理

3．2 位移放大机构的数学分析

3．2．1 位移放大机构的结构特点及分析

3．2．2 位移放大机构的解析法分析

3．3 位移放大机构的有限元分析

3．3．1 静力学有限元分析

3．3．2 动力学有限元分析

3．4 小结

第四章 基于压电叠堆的位移放大致动器性能测试

4．1 压电致动器及测试设备的选择

4．1．1 压电叠堆

4．1．2 驱动电源

4．1．3 测试仪器

4．2 静态特性测试

4．3 阻抗特性测试

4．3．1 阻抗特性测试法原理

4．3．2 基于虚拟仪器的阻抗测试分析

4．3．3 测试结果

4．4 动态特性测试

4．4．1 动态投影栅线法测量原理

4．4．2 加窗傅里叶变换

4．4．3 动态投影栅线法测试分析

4．4．4 测试结果

4．5小结

第五章 基于压电叠堆的大力矩微位移平台

5．1 微位移平台的样机设计及工作原理

5．2 微位移平台的有限元分析

5．2．1 静态特性

5．2．2 模态分析

5．2．3 阶跃响应特性

5．3 微位移平台的性能测试

5．3．1 实验测试装置及方法

5．3．2 静态特性测试

5．3．3 动态特性测试

5．4 小结

第六章 基于压电叠堆的大力矩微位移平台驱动系统

6．1 微位移平台的驱动系统设计

6．2 开环驱动

6．2．1 开环驱动的工作原理

6．2．2 开环驱动的特性测试

6．3 开环驱动下平台的动态响应特性

6．3．1 方波响应

6．3．2 三角波响应

6．3．3 正弦波响应

6．4 增量型PID的闭环驱动

6．4．1 LabVIEW中PID工具包简介

6．4．2 增量型PID的闭环驱动系统组成

6．4．3 增量型PID的闭环驱动系统特性测试

6．5 PID参数自整定驱动

6．5．1 神经网络PID控制器

6．5．2 控制方法在驱动系统中的运用

6．6 小结

第七章 总结与展望

7．1 论文的主要内容和贡献

7．2 今后研究工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间学术成果