基于压电驱动的摩擦式微位移工作台的研究

论文摘要

精密制造测量和微操作技术日渐成为当今先进制造业的重要支撑技术,精密定位技术作为关键技术之一,在近代尖端工业生产和科学研究占有极其重要的地位,左右着各领域精密技术的发展。微位移控制系统是精密定位技术的研究基础,不断地研究开发新的可靠的可以满足多要求的微位移工作台对推动精密定位技术的广泛应用有着重大影响。本文设计了一种基于压电陶瓷驱动的摩擦式微位移工作台,它不仅可提供高精度、快响应的微位移,同时将微位移行程扩大到更大的范围(理论上行程无限制),承载能力也得到较大提高。首先,本文设计了一种微位移工作台,其主要依靠导向装置承载,摩擦驱动产生位移。该系统主要包括微位移工作台、压电驱动器驱动电源、控制计算机和激光干涉仪四部分,四者共同构成了一个闭环系统可满足较高精度的定位要求。文章通过结构力学理论和有限元方法分析了工作台核心部件之一的驱动机构,获得了该机构传动链的等效刚度和响应频率,提供了微位移工作台系统的静态特性。其次,依据工作台驱动系统的动力学特性,建立分析了动力学模型和方程,并分析系统驱动过程中存在的摩擦现象,建立了摩擦动力学仿真模型,研究了有关微位移工作台系统精度的主要因素,及其对系统动态性能的影响规律,从各个因素对系统特性影响的特点出发,获得工作台设计应用中主要参数的合理调整范围。再次,基于以上静动力学的研究分析,试制了微位移工作台实验系统,并对其实验结果与理论分析和仿真结果进行了比较,验证了静动力学分析的准确性。由此可以得出该研究方法对研究微位移工作台设计有一定的参考价值和指导意义。最后,分析了产生系统误差的除驱动机构之外的影响因素——压电陶瓷驱动器位移输出特性引起的误差、导向装置自身误差和系统阿贝误差等,同时提出了相应的处理方法来改善微位移工作台的系统精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究课题的背景和意义
• 1.2 微位移工作台概述
• 1.2.1 微位移工作台
• 1.2.2 微位移工作台的驱动形式
• 1.2.3 微位移工作台的支撑形式
• 1.3 国内外对摩擦驱动微位移工作台的研究状况
• 1.3.1 摩擦驱动微位移工作台的设计原理
• 1.3.2 国内外微位移工作台的研究状况
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 2 微位移工作台的静力学分析
• 2.1 微位移工作台系统的整体构成
• 2.2 微位移工作台的工作原理
• 2.3 微位移工作台驱动机构的静力学结构分析
• 2.3.1 椭圆形增益结构分析
• 2.3.2 柔性臂结构分析
• 2.3.3 单稳态结构柔性铰链分析
• 2.3.4 微位移工作台整体结构静力学分析和模态分析
• 2.4 本章小结
• 3 微位移工作台驱动系统的动力学分析
• 3.1 微位移工作台驱动系统动力学模型的建立
• 3.2 动力学模型分析
• 3.3 动力学模型仿真
• 3.3.1 "粘滞一滑动"摩擦模型
• 3.3.2 "粘滞一滑动"摩擦模型仿真
• 3.4 本章小结
• 4 微位移工作台实验设计与研究
• 4.1 实验装置和实验内容
• 4.1.1 实验主要装置说明
• 4.1.2 实验内容说明
• 4.2 实验结果与现象
• 4.2.1 摩擦正压力调整实验
• 4.2.2 摩擦系数调整实验
• 4.2.3 单步位移驱动参数实验
• 4.3 实验结果分析
• 4.4 本章小结
• 5 微位移工作台系统精度误差分析
• 5.1 微位移工作台的误差分析
• 5.1.1 压电陶瓷驱动器位移输出特性引起的误差
• 5.1.2 导向装置误差
• 5.1.3 阿贝误差
• 5.2 减小误差方法和实验
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录A 微位移工作台机械设计制造结构图
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢