气动波纹管驱动超精密二维定位平台的关键技术研究

摘要

超精密定位是精密加工一项关键技术，在光刻技术、IT 制造业、微观世界扫描成像等方面均发挥着重要的作用，对一个国家的高端制造水平影响重大。对二维超精密定位平台以及对其控制算法的深入研究，有着极其重要的实际意义。 为实现超精密定位的目的，满足大行程与超精密同时兼顾的要求，体现新型气动执行器的优势，本课题设计了新型气动二维超精密伺服平台。平台由金属波纹管直接驱动，高精密光栅尺作为平台的反馈元件测量实际位移，采用气浮导轨支撑整个位移平台，设计高精度位置伺服输出反馈控制算法，以提高系统伺服跟踪精度。实验结果表明，该控制方案定位精度小于±0.3μm。 第一章介绍了超精密定位平台的研究背景，详细分析了超精密二维平台、气动伺服系统控制策略和波纹管执行器的国内外研究现状，最后提出本文研究意义与主要研究内容。 第二章阐述了二维超精密定位平台系统的总体设计方案。设计了平台的下位机控制系统，以及基于LabVIEW的上位机人机交互界面。 第三章以气动波纹管为研究对象，通过理论分析和实验研究，建立了单轴气动波纹管伺服非线性数学模型。随后，结合二维平台机械结构，建立超精密平台气动系统的完整二维非线性数学模型。最后通过一个数值仿真，验证了本章所建立数学模型的有效性。 第四章设计一种自抗扰框架下的变结构滑模输出反馈控制方案，为满足滑模匹配条件，对第三章提出的数学模型进行了坐标变换。通过Lyapunov函数对所设计的控制器与观测器分别进行了稳定性分析，最后进行了数值仿真验证。 第五章，考虑实际系统与工作环境，针对第四章所设计控制器的缺陷，设计了一种高精度的自适应输出反馈递归滑模控制方案，并且用Lyapunov函数理论论证了气动波纹管伺服系统闭环系统全局稳定，跟踪误差的收敛性和跟踪误差的L?性能。最后分别通过数值仿真与实验验证了控制方案的有效性。 第六章，对所做的研究内容作出全面的总结，阐明有关的研究结论，并提出了下一步的研究方向。

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徐亚明论文终稿

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