多尺度微/纳米定位系统的设计、分析及试验研究

论文摘要

随着纳米技术的不断发展,高精密的定位精度已从毫米(mm)级、微米(μm)级向纳米(nm)级发展,微机器人、MEMS系统、光学精密工程、航空航天及生物医疗等高精密领域,迫切需要多尺度、多自由度、nm级定位精度、毫秒(ms)级定位速度的微/纳米级定位系统。传统的机械式定位系统,由于存在机械间隙、摩擦,定位精度最高为2μm。压电陶瓷驱动的定位系统不仅具有nm级定位精度、ms级定位速度,且结构紧凑、易于控制,已成为国内外的研究热点,美国、日本、德国等发达国家对其进行了深入的研究,但其定位行程局限于μm级。因此,开展nm级、μm级、mm级定位的多尺度定位系统,对提高我国微/纳加工、装配、测量等技术水平,具有十分重要的研究意义。本文围绕多尺度、多自由度微/纳定位的设计目标,创新性地设计出了5自由度微/纳米级定位系统(发明专利号:201010101175.3),针对该定位系统,开展了结构设计、静动态分析、控制、试验及综合评价等研究。本文的主要研究工作如下:①应用柔性机构学、机械原理、创新机构设计等理论,研究了定位系统的方案、组成及工作原理,创新性地设计了并研制出了5自由度微/纳米级定位系统。应用材料力学和伪刚体模型法,推导了定位系统的静、动态性能的解析式,建立了其总性能的优化模型,并对定位平台的结构进行了优化设计。②应用机构分析与空间解析法,建立了定位系统的运动学模型,推导了该定位系统的正、逆解,揭示了其变形协调及控制规律;应用伪刚体模型法和结构矩阵法,建立了该定位系统的动力学模型,推导了系统定位的总传递函数。利用ANSYS、Matlab其进行了静力学、动力学仿真,分别获得了变形、应力、刚度、动态响应等静、动态特性。③应用工程控制原理和Matlab/Simulink,仿真得到了开环、PID与BP神经网络PID控制下定位系统的动态响应,对比分析了三种控制方法的动态特性,得出了最优控制方法。研究了三维整体式定位平台的加工工艺,提出了5自由度微/纳米级定位平台的加工方法,并研制了样机。④搭建了该定位系统的试验装置,对其空间行程、定位精度、线性度、动态响应、承载能力等进行了试验,实现了多尺度的微/纳米级定位,达到了预期的设计目标,并对5自由度微/纳米级定位系统的性能进行了综合评价,得到了定位系统的各项性能指标。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 研究背景及意义
• 1.1.2 微定位系统的分类与大行程的界定
• 1.2 微/纳米级定位系统的国内外研究现状
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 2 微/纳米级定位系统的方案设计与工作原理
• 2.1 引言
• 2.2 定位系统的工作原理
• 2.3 定位平台结构创新设计
• 2.3.1 新型的驱动元件
• 2.3.2 柔性铰链设计与分析
• 2.3.3 微位移放大机构设计与分析
• 2.3.4 定位系统设计与分析
• 2.4 本章小结
• 3 微/纳米级定位系统的运动学与动力学分析
• 3.1 自由度分析与位姿描述
• 3.2 定位系统的运动学模型
• 3.2.1 空间坐标转换
• 3.2.2 运动学建模
• 3.3 定位系统的变形与应力
• 3.3.1 伪刚体模型法
• 3.3.2 变形与应力的关系
• 3.4 定位平台的动力学模型
• 3.4.1 动力学建模
• 3.4.2 动态阶跃响应
• 3.5 本章小结
• 4 微/纳米级定位系统的优化设计与建模
• 4.1 引言
• 4.2 优化模型的建立
• 4.2.1 静、动态特性分析
• 4.2.2 总性能优化模型的建立
• 4.2.3 定位系统的优化方法
• 4.3 优化结果与分析
• 4.4 本章小结
• 5 微/纳米级定位系统的控制与样机制造
• 5.1 引言
• 5.2 BP 神经网络PID 控制器
• 5.2.1 BP 神经网络
• 5.2.2 BP-PID 控制器设计
• 5.2.3 三种控制方法的对比分析
• 5.3 定位平台的加工工艺
• 5.3.1 材料的选择
• 5.3.2 加工流程与方法
• 5.3.3 工艺过程卡片
• 5.4 本章小结
• 6 微/纳米级定位系统的试验研究与评价
• 6.1 试验装置与方法
• 6.2 静、动态性能试验研究
• 6.2.1 PZT 的标定
• 6.2.2 线性度试验
• 6.2.3 分辨率试验
• 6.2.4 定位精度试验
• 6.2.5 静刚度试验
• 6.2.6 承载能力试验
• 6.3 模态试验分析
• 6.3.1 模态试验方法
• 6.3.2 试验结果分析
• 6.4 综合性能评价
• 6.4.1 空间行程分析
• 6.4.2 多尺度定位分析
• 6.4.3 总性能评价
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 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申请的发明专利及获奖目录
• C. 作者在攻读学位期间参加的科研项目目录