六自由度宏/微一体化并联操作台系统研究

摘要

微纳米技术的迅猛发展使得研究对象不断微细化，在光学、超精密加工及测量、生物工程、医学工程、微机电系统(MEMS)装配作业等领域都需要微操作系统的参与，微操作系统因而具有广阔的应用前景。 随着科技的发展，这些领域对所应用的微操作系统提出了更高的要求，特别是运动精度、响应速度、力感觉、可控性、灵活性等方面的要求越来越高。对于微操作任务来说，在关注纳米级高精度定位的同时，还要兼顾微米级的大范围宏动定位。针对上述情况，国内外学者对宏/微双重驱动系统进行了一系列的研究，并取得一定的成果。 本课题涉及到的宏/微一体化操作台系统，是一种新型的双并联机构高精度六维定位系统，具有大行程、快速定位、高精度定位补偿等优点。伺服电机驱动的宏动台完成大行程、高速、高加速度微米级定位；宏动台终端的微动机构，由压电陶瓷驱动，经柔性铰链传递运动，实现纳米级的分辨率和精度误差补偿定位。本文从机构设计、系统的动力学建模、系统设计、宏/微控制策略等问题进行深入的探讨研究。 在机构设计方面，根据理论结构，推导了宏动台和微动台的正反运动学方程。基于虚拟样机技术，建立了微动台结构的理论模型，对理论结构下微动台的正/逆向运动学、动力学做了模拟仿真分析，仿真结果验证了理论推导的正确性。 在系统的动力学建模方面，动态输入下引入柔性环节。通过有限元分析方法建立柔性铰链模型，并结合动态仿真软件建立更精确的刚柔混合动力学模型，进行求解分析，得到更接近真实系统的动态响应特性，为控制系统设计及实验研究提供理论基础。 在系统设计方面，在对宏动台和微动台的结构特性、控制功能做出详细分析情况下，分别进行了相应系统的硬件选择和实验设计，并基于LabVIEW软件平台进行了控制系统的软件开发。 在宏/微控制策略方面，提出了宏/微驱动控制策略，在综合考虑各种控制方法的基础上，对微动台采用了神经网络自适应PID控制，并对该种控制方法进行了较详细的分析。基于LabVIEW数据采集平台的六维微位移传感器，建立了宏/微操作台全闭环控制系统模型，构建了实验系统，分别对宏/微定位系统进行实验研究和性能测试。结果表明，系统的定位精度得以大大提高。本文的研究工作为宏/微驱动高精度定位系统的进一步研究奠定了基础，也为相关的应用提供可借鉴的理论和实践经验。