面向IC封装的两自由度高速精密定位系统研究

论文题目: 面向IC封装的两自由度高速精密定位系统研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械电子工程

作者: 冯晓梅

导师: 张大卫

关键词: 定位平台,封装,动力学建模,机电耦合控制,直线音圈电机

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文以开发面向IC封装的高速、高精度定位系统为目标,以有限元方法、动态设计方法、机械动力学等理论为手段,系统深入地研究了两自由度笛卡尔坐标型高速、高精度定位平台的创新结构设计、动力学建模以及控制算法等关键技术,并建造出XY精密定位平台样机一台。取得如下创造性成果:将有限元分析方法和机械系统动态仿真相结合,提出一种具有我国自主知识产权的,采用直线音圈电机直接驱动的两自由度笛卡尔坐标型高速、高精度定位平台,并采用新型弹性解耦机构,从而将驱动部件置于底座上,减轻了运动部件的重量,降低了惯量,同时具有传统XY精密定位平台运动学解耦的特点。提出了XY精密定位平台静、动态特性的有限元分析方法。探讨了XY定位平台在不同载荷情况下的力学行为,分析了XY定位平台的固有频率和模态振型,在此基础上实现了对XY定位平台的结构动态设计。将X轴向和Y轴向定位平台等效为集中质量系统,分别建立了X轴向和Y轴向定位机构的动力学模型。利用拉普拉斯变换及其反变换方法,得到了两轴向定位平台在阶跃控制信号和脉冲控制信号下的位移动态响应函数,以及阶跃控制信号和脉冲控制信号下的速度动态响应函数。研究了它们在不同控制信号电压下的响应变化规律。建立了直线音圈电机的动态方程,提出了基于速度PID控制的直线音圈电机传递函数,设计了控制器参数。在此基础上,构造了基于直线音圈电机的X轴向定位平台机电耦合控制系统模型,深入分析了基于位置PID控制器的定位平台机电耦合系统闭环控制算法。基于上述研究成果,建造出基于直线音圈电机直接驱动采用新型弹性解耦机构的XY精密定位平台样机一台。样机具有很高的运动速度和极高的运动加速度和定位精度,单轴机构稳定时间很短。目前,该样机已经通过国家高技术研究发展计划(863计划)专家组的验收。

论文目录:

中文摘要

英文摘要

第一章绪论

1.1 课题的研究意义及来源

1.2 国内外研究状况

1.2.1 驱动方式

1.2.2 机构形式

1.2.3 系统动态设计

1.2.4 动力学建模与控制方法研究

1.3 本文主要研究内容

第二章 XY 定位平台设计

2.1 引言

2.2 总体结构设计

2.3 音圈电机驱动模型

2.4 弹性解耦机构设计

2.4.1 刚体动力学分析及弹簧刚度预估

2.4.2 弹性体动力学分析及弹簧刚度预估

2.5 样机开发

2.6 本章小结

第三章 XY定位平台有限元分析

3.1 引言

3.2 ANSYS 有限元建模

3.3 有限元分析

3.3.1 静态特性分析

3.3.2 模态分析

3.4 弹性铰链的有限元分析

3.4.1 ANSYS 有限元建模

3.4.2 静态特性分析

3.4.3 模态分析

3.5 本章小结

第四章 XY定位平台动力学建模

4.1 引言

4.2 Y 轴向平台动力学建模

4.2.1 Y 轴向驱动电机动态方程

4.2.2 Y 轴向平台启动时位移响应

4.2.3 Y 轴向平台启动时速度响应

4.3 X 轴向平台动力学建模

4.3.1 X 轴向驱动电机动态方程

4.3.2 X 轴向平台启动时位移响应

4.3.3 X 轴向平台启动时速度响应

4.4 模拟仿真

4.5 本章小结

第五章 XY 定位平台机电耦合控制系统设计

5.1 引言

5.2 直线音圈电机数学模型

5.2.1 动态方程

5.2.2 传递函数

5.3 直线音圈电机速度控制模型

5.3.1 速度控制模型

5.3.2 控制器参数设计与控制效果

5.4 X 轴向平台机电耦合系统动态模型建立

5.4.1 移动机械系统动态模型

5.4.2 机电耦合系统传递函数

5.4.3 控制系统仿真

5.5 控制系统硬件配置

5.6 本章小结

第六章 XY 定位平台性能试验

6.1 引言

6.2 试验平台建立

6.3 性能指标测试

6.4 静态特性测试

6.5 模态试验

6.6 本章小结

第七章全文结论

7.1 结论

7.2 工作展望

参考文献

作者在攻读博士学位期间参加的科研项目和完成的学术论文

致谢

发布时间: 2006-05-24

面向IC封装的两自由度高速精密定位系统研究

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