压电驱动微动定位平台系统设计与开发

论文摘要

微定位技术是精密加工、精密测量、精密工程等微观领域中的关键技术,微动定位平台是精密定位技术中的一项重要载体。本文结合浙江省自然科学基金项目“基于压电的纳米级工作台系统智能化控制方法的研究”(编号:502021)和国家自然科学基金项目“磁控形状记忆合金驱动的大行程纳米级精度微动工作台关键技术研究”(编号:50805042),以压电陶瓷驱动的微动定位平台为研究对象,分析和研究了微动定位平台的关键技术。在比较分析单平行四杆机构、双平行四杆机构、复合平行四杆机构的三种形式柔性移动副之后,采用有限元分析方法设计一个以复合平行四杆机构柔性移动副为导向机构的二维微动定位平台,并分析了其静态、动态特性,建立了系统数学模型,在此基础上用Malab软件对微动定位平台控制模型进行仿真模拟、整定系统PID控制参数;基于LabVIEW开发环境构建微动定位工作台的开环闭环控制系统的实验平台,进行了实验研究。本论文的主要研究内容及章节安排如下:第一章分析了微动定位平台系统研究和开发的意义,并综述了以柔性铰链机构为支撑导向机构、压电陶瓷驱动的微动定位平台系统的国内外研究现状及其发展。最后结合具体项目给出了本论文的主要研究内容。第二章分析了微动定位平台系统的组成,比较了微动平台系统各种驱动方法、支撑导向机构、控制方法和检测方法的特点,提出了一种柔性机构导向支撑、压电陶瓷驱动的微动定位平台系统总体设计方案。第三章在分析压电陶瓷驱动器的驱动机理的基础上,对其迟滞、蠕变和非线性等特性进行了研究,并且对压电陶瓷驱动器进行了特性实验测试。第四章在柔性铰链机构微动定位平台的应用中,引入了柔性移动副的概念。比较了单平行四杆机构、双平行四杆机构、复合平行四杆机构组成的三种柔性移动副。利用有限元方法设计了一种新型的复合双平行四杆柔性移动副为导向机构的微动定位平台。第五章分析建立了微动定位平台系统的传递函数,在Matlab系统平台上进行了微动定位平台系统PID控制的仿真;基于LabVIEW开发环境构建了微动定位平台PID闭环控制实验系统,并进行了实验研究。第六章总结了全文的研究和开发工作,展望了微动定位平台关键技术的发展趋势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 微动定位技术研究的意义
• 1.2 微动定位平台系统发展现状
• 1.2.1 微动定位平台系统的组成
• 1.2.2 微动定位机构研究现状
• 1.2.3 压电驱动控制方法研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 微动定位平台系统分析
• 2.1 概述
• 2.2 微动定位平台系统组成
• 2.3 微动定位平台驱动方法分析
• 2.3.1 电热式微驱动器
• 2.3.2 电磁式微驱动器
• 2.3.3 形状记忆合金驱动器
• 2.3.4 超磁致伸缩微驱动器
• 2.3.5 压电陶瓷微驱动器
• 2.4 微动定位平台支撑导向机构分析
• 2.4.1 滑动导轨支撑机构
• 2.4.2 滚动导轨支撑机构
• 2.4.3 气浮导轨支撑机构
• 2.4.4 平行弹性导轨支撑机构
• 2.4.5 柔性铰链支撑导向机构
• 2.5 微动定位平台系统控制方法
• 2.6 微动定位平台系统位移检测方法
• 2.6.1 微定位的测量方法
• 2.6.2 微位移传感器
• 2.7 本章小结
• 第3章 压电陶瓷驱动器特性分析
• 3.1 概述
• 3.2 压电陶瓷驱动机理分析
• 3.2.1 压电效应和电致伸缩效应
• 3.2.2 压电效应和电致伸缩效应的微观机理
• 3.2.3 压电陶瓷驱动器的结构分析
• 3.3 压电陶瓷微驱动器特性分析及实验
• 3.3.1 迟滞特性分析及实验测试
• 3.3.2 蠕变特性分析及实验测试
• 3.4 本章小结
• 第4章 微动定位平台机构设计
• 4.1 概述
• 4.2 柔性铰链、柔性移动副和柔性机构
• 4.2.1 柔性铰链转动副的类型
• 4.2.2 柔性铰链转动副的结构和转角刚度
• 4.2.3 柔性移动副的概念与应用
• 4.2.4 柔性铰链组成的柔性移动副机构的运动特性分析
• 4.3 三种柔性移动副有限元分析比较
• 4.3.1 建立机构分析有限元模型
• 4.3.2 引入载荷和边界条件
• 4.3.3 对机构进行静态分析比较
• 4.4 微动定位平台机构设计与分析
• 4.4.1 微动定位平台设计原则
• 4.4.2 微动定位平台机构设计
• 4.4.3 微动定位平台整体有限元建模
• 4.4.4 微动定位平台机构位移分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 压电驱动的微动定位平台实验系统设计
• 5.1 概述
• 5.2 微动定位平台控制系统模型
• 5.2.1 微动定位平台系统框架
• 5.2.2 微动定位平台系统传递函数
• 5.3 系统PID闭环控制参数整定
• 5.3.1 PID控制方法基本原理
• 5.3.2 平台系统PID闭环控制流程
• 5.3.3 控制系统PID参数的整定
• 5.4 微动定位平台实验系统构建
• 5.4.1 压电陶瓷微驱动器及其驱动电源
• 5.4.2 数据采集卡
• 5.4.3 检测装置和传感器
• 5.5 微动定位平台控制原型系统
• 5.5.1 LabVIEW开发环境简介
• 5.5.2 微动定位平台控制系统
• 5.6 微动定位平台控制实验
• 5.7 微动定位平台系统实验结果分析
• 5.8 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢