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宏微双驱动高精度二维运动平台的实现

作　者: 方菲
导　师: 居冰峰
学　校: 浙江大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 双驱动高精度大行程柔性铰链系统辨识
分类号: TH703
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

大行程精密定位技术是生物医学工程、微机电系统、精密光学工程和超精密加工等领域迅速发展的前提条件,它决定了研究对象的尺寸可以细微化到微米级甚至是纳米级,推动着现代科学技术的进步。而传统的单一驱动方式并不能同时满足大行程、高精度的定位要求,行程与定位精度之间的矛盾日益突出。因此,开展大行程精密定位系统的研究具有重大的理论和现实意义。宏微双驱动技术是实现大行程、高定位精度的一种有效策略,基于这一方法,本课题搭建了宏微双驱动高精度二维运动平台系统：宏驱动平台完成大行程要求的位移量,激光传感器测量宏驱动平台的位移误差,压电陶瓷驱动微驱动平台补偿位移误差,提高整个系统的定位精度。宏微双驱动高精度二维运动平台主要包括三个模块：宏驱动平台、微驱动平台和宏微双驱动的协调控制。将直线步进马达作为宏驱动平台的本体,通过系统辨识建立了步进马达的理论模型,提出了当采样周期较大时基于理论模型预测位移误差补偿的方法,仿真结果表明该方法能够明显提高系统的定位精度。设计并制作了一种新型的二维微驱动平台,采用柔性铰链作为传动结构,利用双平行四杆机构来减少两维的耦合位移。通过ANSYS仿真分析得出该微驱动平台满足了系统对刚度、强度和固有频率的要求。结合平台的简化模型和系统辨识方法,建立了微驱动平台的动态响应模型和压电陶瓷闭环控制下的输入电压与输出位移的线性关系。基于以上系统,进行了宏微双驱动二维运动平台系统的实验研究：探讨了宏微协调控制的方式、阐述了系统的硬件设计、测试了微驱动平台和测量设备的性能。开展了较大行程的宏微双驱动实时补偿的定位实验,验证了该双驱动技术能够实现大行程和高精度的要求,成功地解决了宏观和微观的矛盾。本文最后总结了研究内容,并在提高宏微双驱动运动平台系统的定位精度方面提出了一些建议和希望。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-7
目次  7-9
第1章绪论  9-21
  1.1 宏微双驱动平台的研究背景  9-11
  1.2 宏微双驱动平台的研究现状  11-18
    1.2.1 宏驱动平台的实现方式  11
    1.2.2 微驱动平台的实现方式  11-12
    1.2.3 宏微双驱动平台的测量技术  12-14
    1.2.4 宏微双驱动平台的控制策略  14-15
    1.2.5 宏微双驱动平台的整体设计与研究  15-18
  1.3 宏微双驱动平台的未来发展方向  18
  1.4 研究目标及意义  18-19
  1.5 论文主要研究内容  19
  1.6 本章小结  19-21
第2章二维微驱动平台的设计与研究  21-44
  2.1 二维微驱动平台的设计与分析  21-29
    2.1.1 微驱动平台的设计  21-23
    2.1.2 微驱动平台的结构参数计算  23-26
    2.1.3 微驱动平台的ANSYS仿真分析  26-29
  2.2 压电陶瓷驱动器的基本特性  29-32
  2.3 压电陶瓷驱动的二维微驱动平台特性研究  32-43
    2.3.1 压电陶瓷驱动的二维微驱动平台的理论模型  32-34
    2.3.2 压电陶瓷驱动的二维微驱动平台驱动电压与位移输出的关系  34-39
    2.3.3 压电陶瓷驱动的二维微驱动平台的系统辨识  39-43
  2.4 本章小结  43-44
第3章直线步进马达运动系统的搭建及系统辨识  44-66
  3.1 步进马达的工作原理  44-46
  3.2 宏驱动平台系统的搭建及调试  46-52
  3.3 步进马达的系统辨识  52-61
    3.3.1 系统辨识的原理  53-56
    3.3.2 步进马达系统辨识的实验参数选择  56-57
    3.3.3 系统辨识的输入信号发生  57-58
    3.3.4 步进马达系统辨识的实验及分析  58-61
  3.4 基于模型的预测补偿仿真  61-64
  3.5 本章小结  64-66
第4章宏微双驱动运动平台系统的构建及实验研究  66-86
  4.1 宏微双驱动运动平台控制方法的研究  66-69
    4.1.1 微驱动平台的控制策略  66-67
    4.1.2 宏微双驱动协调控制策略  67-69
  4.2 宏微双驱动运动平台的系统设计  69-80
    4.2.1 A/D转换器转换准确性测试  70-71
    4.2.2 激光动态校准仪测量准确性测试  71-72
    4.2.3 宏驱动平台与微驱动平台耦合测试  72-76
    4.2.4 微驱动平台X方向与Y方向耦合情况分析  76-80
  4.3 宏微双驱动系统的实验结果及分析  80-84
    4.3.1 小行程、小采样频率的宏微双驱动实时补偿实验  80-81
    4.3.2 较大行程、小采样频率的宏微双驱动实时补偿实验  81-83
    4.3.3 较大行程、大采样频率的宏微双驱动实时补偿实验  83-84
  4.4 本章小结  84-86
第5章结论与展望  86-88
  5.1 结论  86-87
  5.2 展望  87-88
参考文献  88-91
硕士期间发表的论文及研究成果  91

宏微双驱动高精度二维运动平台的实现

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