压电驱动微动定位平台系统设计与开发

浙江大学硕士学位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MATLAB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丌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。关键词微动定位平台、压电驱动、柔性铰链副、柔性移动副、PID控制浙江大学硕士学位论文ABSTRACTPRECISIONPOSITIONINGISTHEKEYTECHNOLOGYOFPRECISIONMANUFACTURINGANDPRECISIONMEASUREMENTMICROPOSITIONINGSTAGEISAMONGTHEOBJECTSUSEDINTHEPRECISIONPOSITIONINGTECHNOLOGYTOTARGETTHEMICROPOSITIONINGSTAGEACTUATEDBYPZTTHISDISSERTATIONSYSTEMATICALLYANALYZESTHEKEYTECHNOLOGYTHATPLAYSALLIMPORTANTROLEINTHESTAGEATWODEGREEMICROPOSITIONINGMEASUREMENTSTAGE，WHICHISFORMEDOFCOMPOSITEPARALLELFLEXUREHINGE，HASBEENDESIGNEDBYUSINGFINITEELEMENTANALYSISTHISPAPERDOESRESEARCHONTHEDYNAMICCHARACTERISTICSOFTHESTAGEANDSETSUPITSMATHEMATICMODELONTHEBASISOFTHIS，BYEMPLOYINGTHEMATLABSIMULINKSOFTWARETHEMODELISSIMULATEDANDTHEPARAMETEROFPIDCONTROLISTUNEDFINALLY,THEOPENLOOPANDCLOSELOOPTESTINGSYSTEMOFMICROPOSITIONINGSTAGEISBUILTBASEDONTHELABVLEWDEVELOPINGT001THISPAPERWASSUPPORTEDBYTHENATURALSCIENCEFOUNDATIONOFZHEJIANGPROVINCENO502021ANDTHENATIONALNATURALSCIENCEFOUNDATIONNO50805042THEMAINRESEARCHANDCHAPTERARRANGEMENTOFTHISPAPERWEREASFOLLOWSCHAPTERONETHEBACKGROUNDANDSIGNIFICANTOFTHERESEARCHWASINTRODUCEDFIRSTLYTHEN，THECURRENTRESEARCHSITUATIONSOFTHEPIEZOELECTRICACTUATEDMICROPOSITIONINGSTAGEWEREEXPATIATEDATLAST，COMBININGWITHTHERESEARCHINGPROJECTS，THEMAINCONTENTANDFRAMEOFTHISPAPERWASPRESENTEDCHAPTERTWOTHEMAINPARTSOFTHEPIEZOELECTRICACTUATEDFLEXUREMICROPOSITIONINGSTAGEWEREGIVENOUTFIRSTLYAFTERTHEEXCELLENCESIDEANDDISADVANTAGESIDEOFTHEMAINPARTSOFTHESYSTEMWASCOMPARED，THESYSTEMSOLUTIONSWASGIVENOUTCHAPTERTHREEBASEDONTHEORETICALRESEARCHOFTHEACTUATIONMECHANISM,THEHYSTERESISNONLINEARITYOFTHEPIEZOCERAMICWASDISCUSSED，ANDTHECHARACTERISTICOFTHEACTUATORSWASTESTEDCHAPTERFOURAFTERTHEGENERALSITUATIONOFCOMPLIANTMECHANISMCOMPOSEDBYFLEXUREHINGEWASINTRODUCED，THECONCEPTOFCOMPLIANTTRANSLATIONALJOINTSWASDRAWEDINTOTHEPAPERTHREEKINDSOFCOMPLIANTTRANSLATIONALJOINTSWASDISCUSSEDATLAST，THETWODIMENSIONFLEXUREHINGEMICROPOSITIONINGSTAGEWASDESIGNEDBYUSINGTHEPRINCIPALOFPROPOSEDCOMPOUNDPARALLELFOURBARMECHANISMCHAPTERFIVETHEMATHEMATICMODELOFTHESYSTEMWASSETUPTHENBYEMPLOYINGTHEMATLABSOFTWARETHEPIDCONTROLWASSIMULATEDWITHTHELABVIEWTOOLTHEPIDCLOSELOOPCONTROLSYSTEMWASDEVELOPEDANDTESTEDCHAPTERSIXALLTHEWORKINTHISDISSERTATIONWASSUMMEDUP，ANDTHEFUTURERESEARCHWORKSWEREPROSPECTEDKEYWORDSMICROPOSITIONINGSTAGE，PIEZOELECTRICACTUATOR,FLEXUREHINGE，COMPLIANTTRANSLATIONALJOIILTSPIDCONTROL学号2Q垒Q昼Q三垒独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名猁签字日期加。多年IL月，P学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书学位论文作者签名赁拗目答_7FTLI勿夕多年月，箩日学位论文作者毕业后去向工作单位通讯地址导师签名本勿彬易易签字日期舻孑年F。月护日电话邮编浙江人学硕上学位论文第1章绪论11微动定位技术研究的意义随着现代科学技术的快速发展，微电子技术、微机电系统技术、微加工微制造技术、微装配技术、微操作技术、现代生物技术、纳米技术等微观领域的研究越来越深入，已经进入亚纳米、原子量级的时代。而微定位技术作为微观领域研究的关键技术之一，其技术发展水平直接影响到微观领域技术的发展水平，微定位技术的研究也就具有极为重要的现实研究意义。二十世纪八十年代扫描隧道显微镜发明后，便诞生了以01到100纳米尺度为研究对象的纳米科技。此后，纳米科技很快成为在国际上的研究热潮，各个科技强国对纳米技术的研究极为重视，纷纷投入了巨额研究资金。今天纳米科技已成为许多国家提升核心竞争力的战略选择，也是我国有望实现跨越式发展的领域之一。2006年我国发布了国家中长期科学和技术发展规划纲要20062020年，部署了四项重大科学研究规划，这四项重大科学计划包括纳米技术研究、量子调控研究、蛋白质研究、发育和生殖研究。纳米技术研究作为四项重大科学计划之一，在未来十几年将得到大力发展。而微定位技术作为这一领域研究和应用的关键技术之一，其发展水平直接限制着纳米科技的进步。在精密工程、精密仪器、超精密加工方面，微定位技术更是起着至关重要的作用。精密和超精密加工技术是现代机械制造业最主要的发展方向之一。我国机械制造技术水平不高，在超精密加工的精度、效率、可靠性方面与发达国家水平存在很大的差距【L】。美国LLLLAWRENCELIVERMORELAB实验室研制压电式微进给装置应用于超精密车床，实现了LNM切削厚度的稳定切削【2，3】。国内外机械制造水平差距是几个数量级的差距，缩短这种差距有赖于微定位技术的提高。在高精度精密机械中，微定位平台用来产生微小线位移或角位移，是高精度精密仪器的核心，其精度高低直接影响整机的精度【4】。微定位机构不仅是精密加工中的重要进给元件，而且是动态和静态误差补偿的关键元件，因此微定位技术的发展关系到精密加工技术的发展，进而对提高我国机械制造技术水平有重要意义。在微电子、微机电、航天工程、生物工程、医疗科学等各个领域，微定位技术都得到了广泛应用。比如用于电化学加工、微刻蚀与微雕刻；用于微机电系统的加工、封装及装配；在大规模集成电路制造中，构成X射线曝光机等设备中的超精密微定位装置及高精度微进给装置；在扫描探针显微镜中，用于测量样品表面形貌、进行纳米加工；在光纤对接方面，用于光纤之间的精密对准；在生物工程方面，用于完成对细胞的操作，实现生物操作工程化；在医疗科学方面，用于显微外科手术等等。浙江大学硕上学位论文上述这些领域的发展对微定位技术提出了高分辨率、高定位精度、无摩擦、无爬行、刚度好、频响特性好等要求。在各种微定位系统中，以柔性铰链支撑压电陶瓷驱动的微定位系统，以其优点基本满足上述要求而得到广泛应用。压电陶瓷驱动微定位系统克服了传统机械式、液压式、气动式、电磁式等微定位系统惯性大、响应慢、结构复杂、可靠性差等不足，具有位移分辨率高、响应速度快、结构刚度大、能耗低、不受磁场干扰、无磨损和无需润滑等优点。同时，柔性铰链具有无机械摩擦、无间隙、运动平滑、灵敏度高等诸多优点。压电陶瓷驱动器和柔性铰链的这些优点，使以压电陶瓷驱动器做驱动元件、柔性铰链机构作柔性支撑导轨的微定位系统得到广泛应用，并受到学术界的研究重视。本文结合浙江省自然科学基金资助“基于压电的纳米级定位平台系统智能化控制方法的研究项目编号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，开展了一个柔性铰链机构导向支撑、压电陶瓷驱动的微动定位平台系统的设计与丌发工作。12微动定位平台系统发展现状121微动定位平台系统的组成微动定位平台系统一般由微定位机构、检测装置和控制系统三部分组成41，如图卜1所示。图11微动定位系统微定位机构或称微动定位平台是指行程小一般小于毫米级、灵敏度和精度高亚微米级至纳米级的机构，它是微定位系统的核心。它主要包括微定位驱动部分和导轨传动部分。微定位驱动部分把电能或其他形式的能量转变成相应的运动和力，而导轨传动部分则把这些运动和力进行放大、缩小或改变方向，传递到定位平台。检测装置部分包括位移传感器及相关的硬件电路，该部分功能是检测微定位平台输出的位移量，反馈给控制系统以实现闭环控制。检测装置的精度和分辨率直接影响到整个微定位控制系统的精度，根据实际需要选择检测装置至关重要。控制系统是微定位系统的指挥中心，控制系统按照一定的控制算法控制微定位平台，使其按照一定的规律运动，来实现定位控制。2浙江学硕士学位论文122微动定位机构研究现状在各种微定位系统中，以柔性铰链为支撑导轨、压电陶瓷为驱动器的微定位系统，以其诸多优点而得到广泛应用。本节主要介绍柔性铰链和由柔性铰链构成的微定位机构的发展现状。L221柔性铰链及其研究现状20世纪60年代前后，由于宇航和航空等技术发展的需要，对实现小范围内偏转的支承，不仅提出了高分辨率的要求，也对其尺寸和体积提出了微型化的要求。经过对各类型的弹性支承的实验探索后，才逐步开发出体积小、无机械摩擦、无自J隙的柔性铰链。此后，柔性铰链被广泛应用到陀螺仪、加速度计、精密天平、导弹控制喷嘴形波导管天线等仪器仪表中，获得了前所未有的高精度和稳定性。柔性铰链在精密微定位平台中的应用，更是开创了微定位平台进入到纳米级的新时代吼柔性铰链本质上是一种特殊的传动结构，用于提供绕轴做复杂运动的有限角位移，它利用的是材料的可逆的弹性变形来产生运动或传递能量。传统铰链和柔性铰链的区别如示意图卜2所示。柔性铰链结构上一体化，运动和能量传递利用弹性变形，因此具有无空回、无迟滞、无摩擦、无间隙、无噪声、无磨损、空自J尺寸小、容易加工、无需维护、运动灵敏度高等诸多优点【5】。刚体彭币传统铰链柔性铰链图卜2传统铰链和柔性铰链比较示意图柔性铰链按照传递运动和能量的方向，可以分为单轴柔性铰链、双轴柔性铰链、多轴柔性球铰链OI。图卜3所示为单轴柔性铰链和多轴柔性球铰链。图卜3单轴柔性铰链和柔性球铰链柔性铰链按柔性部位的不同形状，可以分为圃角型其中矩形、直圆形是其中的特殊型、椭圆型、抛物线型、双曲线型柔性铰链以及单圆弧型等，如图卜4所示。还有一些特殊形式的新型柔性铰链，例如交叉式柔性铰链、裂筒式柔N灭浙江大学硕上学位论文性铰链、柔性虎克铰链、柔性球铰链等【5】，如图卜5所示。龄嗍跚直圆型圆角型矩形嗍髓阴抛物线型椭圆型双曲线型图14各类柔性铰链PAROS和WEIBORD在1965年推导出了柔性铰链设计的计算公式，其精确计算公式较为复杂，简化后的实用计算公式在许多情况下会有比较大的误差。同时，还给出了适用于发生变形比较小且结构参数在TR情况下的简化设计方法，对于变形较小的微定位系统这种方法的计算精度是比较高的，在分析变形比较大的情况时精度较差。PAROS和WEIBORD的这一工作为此后柔性铰链定位平台的设计提供了最基本的理论基础【引。交叉式柔性铰链柔性虎克铰柔胜球铰链如图15新型柔性铰链SMITH等人介绍了椭圆形截面铰链。他们将PAROS和WEISBORD对直圆铰链的封闭式柔性公式扩展到椭圆截面铰链上7】。JAEWRYU等人提出了整体式柔性铰链机构的制造误差模型，分析了制造误差对柔性铰链机构运动的影响【8，91。NICOLAELOBONTIU等人针对二次曲线截面直圆、椭圆、抛物线、双曲线铰链，提出了封闭形式的柔性方程，并使用有限元法验证了理论公式所得数据的正确性。柔性和旋转精度是主要研究对象，根据两个无量纲参数对椭圆、抛物线、和双曲线铰链的性能与直圆铰链进行了比较。发现在大的长厚比下，椭圆、抛物线、双曲线铰链比直圆铰链的柔性更大，双曲线铰链在旋转过程中旋转中心保持的最好【51。NICOLAELOBONTIU等人还介绍了抛物线和双曲线截面铰链，作为新型的两维整体式机构。提出了封闭式的柔性公式来描述柔性、旋转精度和应力分布情况。4浙江大学硕士学位论文通过有限元分析和试验测量校验了柔性系数公式。定义了两个无量纲参数，模拟了几个无量纲函数比对两种铰链性能进行了比较。结果表明，抛物线铰链在转动时柔性较大而应力较小，双曲线铰链对载荷的影响不敏感岭J。SCHOTBORGH等人基于有限元分析，提出了直圆、横梁、交叉三种铰链元素的无量纲设计图，使用该图作为设计工具，设计者可以在满足刚度和旋转要求下找出铰链元素的优化形状。在分析了直圆、横梁、交叉铰链性能基础上，提出了一种新型交叉铰链结构，该结构在满足旋转的基础上，在垂直于旋转平面的两个方向上具有很好的刚度UJ。对于发生大变形的柔性机构，HOWELL和MIDHA在1993年研究大变形柔性悬臂梁时提出了伪刚体模型法，将结构分成刚性部件和柔性部件，把两部分离散分开进行研究，并用有限元进行了验证。这种方法在研究大变形柔性悬臂梁时获得了比较高的精度【1L12J。在国内，清华大学李庆祥教授在PAROS柔性铰链设计公式的基础上，推导了新的柔性铰链设计公式【413】。吴鹰飞推导出了柔性铰链的系列设计计算公式和圆形柔性铰链的系列设计计算公式，相比PAROS设计公式表达更简洁，计算更准确【141。此外，天津大学王建林给出了柔性铰链在T和R取值较接近或TR情况下的设计公式，使之成为更普遍应用的设计依据【L51。1222柔性铰链组成的微定位平台机构微定位机构按其实现的功能分，可以分为单自由度机构平移或转动和多自由度机构。多自由度机构可以分为串联组合机构、并联机构及混联式机构。从结构形式上，也可以分为平面机构和空间机构。图卜6就是一个通过柔性铰链杠杆机构放大位移的单自由度微定位机构。目前典型的柔性铰链微定位机构有单平行四杆机构、双平行四杆机构、SCOTTRUSSELL位移放大机构、XY0三自由度机构、并联机构等。图16柔性铰链杠杆放大机构图卜7平行四杆机构1单平行四杆机构微定位平台柔性铰链构成单平行四杆机构如图17所示，甲块和乙块通过A、B、C、D四处柔性铰链连成一体，AB、BC、CD、DA构成平行四杆导向机构，甲块和乙块通过四个柔性铰链的变形而形成相对移动。5浙江大学硕上学位论文如图卜8所示是美国国家标准局的SCIRE和TEAGUE在1978年首先采用柔性铰链为导向机构、压电陶瓷驱动的一维平移微动平台，图卜9是其工作原理示意图。该微动平台采用杠杆原理和单平行四杆机构相结合柔性铰链整体式结构，外形尺寸仅为100MM100MM20MM，行程为5咄聊，微定位分辨力1NM161。压电陶瓷驱动嚣虹图卜8单平行四杆机构一维定位平台图卜9机构示意图如图110所示为1992年美国国家标准与技术研究院NIST的JFU研制的二维微动平台，用于STM中实现了样品大范围二维扫描，该微动平台的X、Y两个方向分别采用采用杠杆原理和单平行四杆机构相结合的结构，最大行程达到500“M，分辨力1NM【17】。日本学者KNISHIMURA在单平行四杆机构的基础上，利用杠杆原理设计了一种微定位机构并将其用在扫描隧道显微镜中，在78M行程范围罩，达到了01NM的分辨率【L引。图110单平行四杆机构二维定位平台清华大学以单平行四杆机构设计了一种用于精密测量的一维微动平台，达到02NM的测量分辨率和1NM的定位精度。李庆祥以单平行四杆机构设计了二维度微动平台，它可以简化成两个分别进行X、Y向运动的单平行四连杆机构，其尺寸为130MMX100MM20MM，行程达到10TM，定位精度003，FMI4J。单平行四杆机构导向微定位平台结构简单，消除了由装配误差而产生的系统定位误差，但是位移在X、Y运动方向上存在交叉耦合，影响系统定位精度。6浙江大学硕T学位论文2双平行四杆机构微定位平台为了消除单平行四杆机构运动时产生的耦合位移，研究人员开始采用双平行四杆机构。新加坡南洋理工大学PENGGAO利用两级放大原理和双平行四杆机构原理设计了大位移高分辨率微定位平台，其工作原理如图111所示，运动范围达到4毗所45M，分辨率分别达到了O020毕ZM和O018M19】。图卜11双平行四杆机构二维定位平台图112定位平台示意图西安交通大学王海容根据双平行四杆机构和杠杆原理设计了一大位移高分辨率的加载机构，在压电陶瓷驱动器和直线电机的驱动下获得了最大IRMN的行程和纳米级分辨率硼。天津大学王建林等采用整体式结构设计了三维压电驱动微动定位平台，X、Y方向采用双平行四杆结构实现运动导向，Z向采用柔性八杆对称联动结构实现运动导向，X、Y、Z向行程范围为L咄删1蛳，210ZM，定位精度优于003M，定位分辨力3NM，最大定位时间40MS【”，2。浙江大学陶惠峰利用双平行四杆结构设计了微定位平台用在低频隔振上，达到了001M定位精膨22J。双平行四杆机构导向微定位平台结构简单，消除了由装配误差而产生的系统定位误差，同时消除了在X、Y运动方向上相互存在的交叉耦合位移，但是该机构中柔性铰链在弯曲时必然拉伸，内应力增大，影响铰链使用性能。3SCOTTRUSSELL位移放大机构微定位平台SCOTTRUSSELL机构如图卜13所示，O点处固定，和杆OM以铰链连接，杆OM和AP交点M处以铰链连接，当A点沿X轴移动，那么P点将沿着Y轴移动，P点位移输出量和A点位移输入量关系是非线性的，但是，当位移变化量非常小的时候，可以看作P点输出量是A点位移输入量的TAN0倍。这样可以方便得实现位移量的放大。7浙江大学硕上学位论文YX图113SCOTTRUSSELL机构示意图台湾大学CHANG和DU利用SCOTTRUSSELL机构设计了一个大行程的压电陶瓷驱动微定位平台用在精密加工领域，该定位平台通过AMP和PNB两个SCOTTRUSSELL连杆将位移放大至100M，分辨率达到了O0舡M，并通过导向弹簧片减少工作平台的角度偏差，使角度偏差小于3111TRAD，固有频率为80HZ，最大定位时间为50MS，其结构原理如图卜14所示【231。图卜14两级SCOTTRUSSELL机构定位平台及示意图清华大学吴鹰飞利用SCOTTRUSSELL机构设计了一种新型的单一元件驱动三自由度运动的微动定位平台，应用了蠕动式的运动原理，实现了大行程运动，并利用对称的柔性铰链结构来实现导向，如图115所示。YX卜图115SCOTTRUSSELL机构三自由度定位平台图卜16机构示意图它的运动原理如图卜15所示，当压电元件P伸长时，运动块A相对固定端O点沿X方向运动。如果过A处铰链作Y轴的平行线，过B处铰链做X轴的平行线，它们与杆2的延长线交于一点D，当运动块A相对固定端。点沿X方浙江人学硕士学位论文向运动时，D点是杆1的转动中心，因此，运动块B就能够相对固定端O沿Y方向运动，同时，在运动块C上能获得相对固定端O点的旋转运动。在压电元件施加050V时，定位平台实现小步距运动，每步约03M，运动速度大于10MS，位移分辨率小于01PM【24也6】。SCOTTRUSSELL机构微定位平台结构紧凑，可以实现位移的放大缩小，并且可以实现单驱动多自由度运动，缺点是通常需要多级SCOTTRUSSELL结构才能获得较大的放大倍率，而且，输入输出存在非线性。4三自由度微定位平台JAEWRYU设计了XY口三维微定位平台应用于晶圆平台，并提出了一套优化设计的数学公式，该定位平台由三个呈120度放射状摆置的压电陶瓷驱动器驱动，控制其X、Y和0方向的运动，从而实现平面内的三自由度运动，分别实现了415PM和47即，Z的X方向和Y方向的位移，1565MRAD的最大转角【91。其工作原理如图117所示。图卜17三自由度机构定位平台图卜18机构示意图5六自由度并联机构微定位平台并联机构由多个支链在运动平台与固定平台之间并联而成。1965年，STEWARTD构思了一种具有三个分支的六自由度STEWART并联机构，建造了基于该机构的飞行训练模拟器，并对其运动学、工作空间控制等问题进行了研究271。新加坡南洋理工大学PENGGAO设计了STEWART平台，并建立了静态模型，其运动原理如图卜19所示【281。9新江大学硕上学位论文U一”O篡冬础一磁CJ迎图卜19六自由度微定位平台北京航空航天大学机嚣人研究所宗光华等设计了用于精密自动定位的六自由度微细操作平台，并应用于光纤对接，如图卜20所示，图A为该平台整体，由上下两部分串接而成，图C为下半部分，是一个3RRR机构的三自由度平台，EFLOO为上半部分平台，是一个3RPS机构。该平台混合了多种机构，如图卜21所示是平台局部的一个单平行四杆机构，并通过杠杆放大位移，顶端还使用了新型的柔性球铰链。下定位平台的工作范围是120,U珥130UMX18MRAD，分辨率分别达到50RIM、50RTM、18ARC8ECT2931】。STEWART平台的特点是能够实现六个自由度的位移，但运动复杂，难以实时控制。图卜20六自由度操作平台图卜21平台局部结构6其他结构形式微定位平台上海交通大学王国宝通过分析五杆机构在小范围运动状态下近似线形的运动特性，把平面多自由度的闭链五杆机构和易于实现尺寸小型化的柔性铰链结合在一起，提出了一种柔性铰链五杆机构，并将其应用在微小型机器人的步行机构上32】。IHER利用五杆结构设计了二维微定位平台，分析了五杆机构的运动特性，利用五杆机构的特点实现了多种方式的运动轨迹。YAHGRENYI设计了单轴二维微定位平台并将其用在激光焊接中，定位平台设计位移200,UM，固有频率达到了364HZ。浙江大学硕上学位论文王建林设计了一种柔性八杆对称联动定位机构，给出了其刚度公式和动力学模型，结合激光干涉仪微定位检测装置，研制了闭环控制纳米定位系统。该纳米定位系统用于AFM扫描探针的运动定位，系统行程10AM，定位精度优于0039M，定位分辨率3NM，最大定位时间40嬲【3卯。123压电驱动控制方法研究现状压电陶瓷驱动器具有迟滞、非线性和蠕变等特性，这些特性引起的位移不确定度一般分别为1520、2“10、15蝌36。381。它们的存在使压电陶瓷微驱动器的位移重复精度、检测精度降低，瞬态响应速度变慢，可控性变差，给压电陶瓷微驱动器的控制和应用带来很大困难。改善或消除压电陶瓷驱动器非线性、迟滞和蠕变的方法较多。在驱动方式上，可采用电压驱动或电荷驱动。在控制方式上，可采用开环控制或闭环控制。而在控制算法上，除了传统的PID控制外，还有神经网络、模糊控制、自适应控制、复合控制等算法。压电陶瓷驱动器在静态或对频响要求不高的场合下，可采用电压驱动、电容传感器反馈并同优良控制算法相结合的控制方法。而在对频响要求较高的场合下，可采用电荷驱动、电容传感器反馈并同优良控制算法相结合的控制方法【3刿。1231电荷驱动控制方法电荷驱动是依据压电陶瓷驱动器的位移与驱动电压不成正比，而与驱动电荷近似成正比的原理来对压电陶瓷驱动器进行控制的【4。用电荷驱动方式代替简单的电压驱动方式首先是由英国PHILIPS实验室NEWCOMB和FLIN提出的，在电场频率较低时，该方法容易实现线性控制【4。但是该方法要求使用特殊设计的电荷放大器，而且会降低压电陶瓷驱动器对位移的灵敏度。KAZUKA和SUI通过在压电陶瓷微驱动器上串联一个调节电容，并提高外加电压的方法，降低了压电陶瓷微驱动器自身电荷相对于电容变化的灵敏度，使压电陶瓷微驱动器的迟滞非线性减小5倍左右，这种方法的缺点是需要很高的高压直流电源，而且电源电压越高，效果越好【4引。电荷控制法需要专用的控制电荷放大设备且在较宽的频率范围内，不能保证压电陶瓷的电荷与微位移具有良好的线性度【4引。同电压驱动式开环控制相比，电荷驱动式丌环控制使压电陶瓷驱动器的非线性大大减小。但这种方法所获得的线性是在电场频率较低及忽略载荷的情况下实现的。为使其适应各种情况，同时具有较好的动态特性，其后的许多研究都将电荷驱动同闭环控制相结合。浙江大学硕十学位论文广东工业大学杨宜民采用集成元件构成电荷控制的恒流源，用半导体应变片组成检测和反馈系统，用EMMEXACTMODELMATCHING法进行动态校正，获得了小于LONM的分辨率，35NM的重复精度，08的线性度【删。PEKKA等提出了用非恒流的电流反馈控制，加上前馈补偿和功率损耗补偿，可大幅度减小迟滞和蠕变【451。国防科学技术大学采用电荷反馈激励方式，压电式微定位平台的回滞环减小了50，线性度提高了35【401。哈尔滨工业大学根据压电陶瓷的位移电荷模型设计了基于电流控制的压电陶瓷驱动电源，通过控制压电陶瓷的充电电流来控制其运动速度，从而控制其位移量，实验表明迟滞仅为1646】。电荷驱动控制方法的一个缺点是必须采取一定的措施减少电荷的泄漏，否则就无法稳定地进行控制。1232电压驱动开环控制方法电压驱动开环控制主要是通过软件技术控制压电陶瓷驱动器的驱动电压，从而实现压电陶瓷驱动器的位移控制。由于丌环控制是基于模型的控制，所以在进行开环控制时必须知道被控对象的数学模型。基于参考模型的开环控制方法首先由JUNG和KIM提出，用于改善STM中压电陶瓷微驱动器的扫描精度，其原理框图如图卜22所示【4749】。翅哥翳篡H嬲卢移图卜22基于参考模型的开环控制框图参考模型根据参考输入值，计算出相应的控制信号，经驱动电源变换后向压电陶瓷送出驱动信号，产生相应的位移。如果参考模型选择合理，输出位移应等于参考输入位移量。基于模型的开环控制首先必须建立压电陶瓷驱动的定位平台的数学模型，目前常用的模型有PREISAEH模型、MAXWELL模型、WIENER模型等。JUNG利用PREISACH模型来补偿原子力显微镜Z轴方向的压电陶瓷驱动器的非线性和迟滞，从而使扫描图像的质量得到了明显的改善。GEPING等用PREISACH模型描述压电陶瓷驱动器的迟滞和非线性特性，在开环控制下，实现了整个范围内3的正弦波和三角波跟踪精度。开环控制系统结构简单，实现较容易，但当对象或控制装置受到干扰或工作过程中特性参数变化时，会使被控对象偏离给定值，而输入的控制信号不变，误差得不到补偿，控制精度降低甚至出现错误。12浙江大学硕士学位论文1233电压驱动闭环控制方法开环控制系统由于不能提供修正误差的反馈量，控制效果在很大程度上取决于定位平台的数学模型的精确度，也要求控制器的性能高度稳定，这些在当前是较难实现的。由压电陶瓷驱动的微定位平台，压电陶瓷的迟滞非线性和蠕变特性，传动机构的误差，使得在相同的控制信号作用下，输出位移不能严格符合期望值，而开环控制不能有效地减小这一误差，因此带有输出反馈的闭环控制系统逐渐为人们所采用，并成为微定位平台控制方式的主流，随着各种智能控制策略的提出和发展，控制精度、速度和稳定性都得到了很大的提高。电压驱动闭环控制是通过位移传感器检测出压电陶瓷驱动器的实际位移，并与给定位移进行比较，得N者之间的偏差，该偏差经控制器运算后得到压电陶瓷驱动器的驱动电压，从而实现压电陶瓷驱动器的位移控制。PID控制是最早发展起来的控制策略之一，因其算法简单，鲁棒性能好，被广泛用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定型控制系统。采用PID方法对由压电陶瓷微驱动器驱动的超精密定位平台进行控制，从而使微定位系统的稳态定位精度提高，动态响应速度变快。RICHTER等采用PI控制，使压电陶瓷微驱动器阶跃响应的上升时间达到34MS50】。JUNG等采用前馈控制法，使压电陶瓷驱动器的定位精度得到了很大的提高【47钠】。李圣怡在压电陶瓷刀具的控制中，采用P积分学习控制和自校正调节器的参数学习控制，获得了较为满意的定位效果【5。LUZHAOQUAN等将单层神经网络控制同传统的PID控制相结合，构成了一个具有自适应和自学习特点的神经网络控制系统，使压电陶瓷驱动器取得了很高的定位精剧521。XUHEGEN采用PI控制的差分电容位移传感器组成的反馈控制系统，使得PZT定位平台的迟滞从开环控制的30减少到闭环控制时的1P川。PINGGE和MUSAJOUANEH提出采用反馈结合前馈的控制方法，其控制框图如图123所示。图123带前馈的闭环PID控制结构框图在前馈环节中利用PREISACH模型对压电陶瓷微驱动器非线性建模，并进行线性化处理。PINGGE和MUSAJOUANEH将模型前馈补偿同PID控制相结合，使压电13浙江大学硕士学位论文驱动器在工作范围内对任意输入信号的相对跟踪误差小于27L5455OCHI等采用模型参考自适应控制，使得控制器具有一定的鲁棒性和适应性，能大大提高控制系统的性能，与传统的自适应控制不同之处在于它不需要知道系统的阶数和极点【56】。YU等研究了自适应控制在微定位系统中的应用【5刀。LICHUNTAO等把自适应控制器用于迟滞特性未知的非线性系统中，控制器根据估计器来补偿迟滞误差，较好地解决了迟滞输出不能直接测量所造成的困难，并证明了跟踪误差能收敛到一个很小的范围内【58591。朱日宏等将模型参考自适应控制用于压电陶瓷驱动器的控制中，使其线性度达到O1【OOJ。模糊控制也是解决非线性控制的有力工具，模糊控制框图如图卜24所示。模糊控制的基本方法是将操作者的经验总结成若干条规则称为模糊控制规则，经过模糊数学处理，存放到计算机中。模仿人脑的推理过程来确定推理规则，计算机根据输入的推理过程来确定推理规则，并根据输入的信息，按照模糊控制规则和模糊推理规则，作出相应的模糊决策，完成控制动作61,62】。偏差E图124微定位工作台系统模糊控制框图傅星等将模糊控制用于扫描隧道显微镜的探针高度调节中，使得调节速度和精度大大提高63】。孙立宁等利用模糊推理自校正PI控制方法对微定位系统进行了闭环控制，通过实验证明该方法实现了控制器参数的实时优化，既具有模糊控制灵活而且适应性强的优点，又具有PI控制精度高的特点64,65】。综上所述，国外和国内很多科研工作者都对压电陶瓷驱动器的控制方法作了深入的研究。压电陶瓷存在迟滞、蠕变及非线性等不足，很难建立精确的数学模型，开环控制不能达到高精度的定位要求。采用位移反馈实现闭环控制是减小压电陶瓷迟滞非线性而获得高精度位移的有效途径。可见，传统的控制方法算法简单，控制精度高，系统稳定性高。同时对于时变不确定的系统，智能控制技术能够有效辨识出其被控对象的数学模型，并根据给定的性能指标，在线实时调整控制器的结构或参数，有效减小了定位平台的输出误差，从而得到了越来越多的应用。14浙江大学硕上学位论文13本文主要研究内容本文根据微动定位平台系统的要求，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，对系统的各个组成部分进行综合分析，并借鉴国内外研究成果，选择压电陶瓷微驱动器为驱动装置、电感式位移传感器为检测装置和以柔性机构作为支撑导向机构设计了微动定位平台系统。本文主要研究内容如下。第一章分析了微动定位平台系统研究和开发的意义，并回顾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发展概况和研究现状，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，并且实验测试了压电陶瓷驱动器的迟滞特性和温度特性。第四章介绍了以柔性铰链构成的柔性机构的概况，引入了柔性移动副的概念。比较分析了单平行四杆机构、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复合双平行四杆机构所构成的柔性移动副为导向机构的一种新型的微动定位平台。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LABVLEW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。第六章对全文的研究及开发工作进行了总结，对微动定位平台技术研究进行了展望。15浙江大学硕士学位论文第2章微动定位平台系统分析21概述根据系统的一般开发过程，在系统设计之前需要对设计要求进行分析并划分功能模块，构建系统总体结构。本章分析微定位系统的系统组成和各部分的设计要求，确定了各功能模块和总体设计方案。22微动定位平台系统组成微动定位平台系统一般包括微驱动器、微动平台机构、检测装置、控制系统等组成部分，如图21所示。之1微驱动器H微动平台机构卜叫检测装置卜一控制系统图21微动定位平台系统组成微动平台机构是指行程小、灵敏度和精度高的机构，它是微定位系统的核心。微驱动执行器部分把电能或其他形式的能量转变成相应的运动和力，而微动平台机构部分则把这些运动和力进行放大、缩小或改变方向，传递到定位平台。检测装置部分包括位移传感器及相关的硬件电路，该部分功能是检测微定位平台输出的位移量，反馈回控制系统以实现闭环控制。检测装置的精度和分辨率直接影响到整个系统的精度，根据实际需要选择检测装置至关重要。控制系统是微定位系统的指挥中心，控制系统按照一定的控制算法控制微定位平台，使其按照一定的规律运动，来实现定位控制。微动定位平台系统的驱动部分往往具有一定的非线性等特性，正确的控制系统能避免或减弱这些特性对系统的控制精度的影响。23微动定位平台驱动方法分析传统的机械式微动驱动器有丝杆机构、齿轮杠杆机构、弹性机构、斜楔机构、螺旋机构、凸轮机构以及它们的组合机构等。机械式微驱动器存在着较大的机械间隙及机械摩擦，具有爬行现象，其运动灵敏度、定位分辨率难以达到纳米级精度，只适用于中等精度场合，已经不适用于纳米级定位精度的定位。目前在精密定位中使用较多的微驱动器，按工作原理不同，主要有电热式、电磁式、形状记忆合金驱动器、磁致伸缩和压电、电致伸缩微驱动器等。16浙江人学硕士学位论文231电热式微驱动器电热式微驱动器有电热伸缩棒和电热伸缩筒两种形式，利用物体受热变形来实现微位移，其热变形的原理如图22所示。传动杆的一端固定在支架上，一端固定于微位移部件，改变电流或电压来改变温度，即可输出相应的位移量。当加热线圈导通时，传动杆受热伸长，驱动移动部件实现位移输出。电热式微驱动器的特点是结构简单，操作控制方便。但传动杆与周围介质存在着热交换，影响控制温度，从而影响到输出位移精度。如果隔热不合理，会使相邻零部件产生受热变形，以致影响到整机的精度。而且由于热惯性的存在，电热式驱动器不适于作高速位移。图22电热式微驱动器232电磁式微驱动器电磁式微驱动器是通过改变电磁铁线圈的电流来控制电磁铁对定位平台的吸引力，克服弹簧的作用力，来控制定位平台的位移。1975年日本研制出电磁式驱动器微定位平台，其定位精度为02HM，成功应用于电子束曝光机。这种驱动器的缺点是为了使得位平台保持工作位置不变，线圈中始终通以一定的电流，因此引起发热变形，会导致精度变差。此外，泄露电磁在某些场合可能会影响到其他仪器仪表的工作。233形状记忆合金驱动器形状记忆合金效应是指材料会记忆它在高温相状态下的形状，即不管它在低温相状态如何变形，主要加热到一定温度，此时材料如果处于自由状态，就会恢复到原来的形状，如果处于约束状态，则产生应力。具有这种效应的合会就叫形状记忆合金。具有一个单元的形状记忆合金驱动器，通常只有一两个易于控制的位移输出状态。这样就会产生形状记忆合金的过程不可控，也就是其易控输出状态的中间过程不易通过变温加以控制。同时其频响非常低，因此，形状记忆合金驱动器不适用于要求能够连续快速定位的场合。17浙江大学硕士学位论文234超磁致伸缩微驱动器超磁致伸缩微驱动器是利用铁磁材料在磁场作用下产生微小伸长来实现微位移的。磁致伸缩材料是指因磁化状态的改变，其尺寸显著变化的铁磁性材料，而超磁致伸缩材料即是其尺寸变化比耳前的铁氧体等磁致伸缩材料大得多的一种磁致伸缩材料。超磁致伸缩微驱动器的工作原理是通过改变线圈的电流大小，改变磁致伸缩材料棒所处的磁场，使得磁致伸缩材料棒发生变形，从而实现驱动器的位移输出。材料的磁致伸缩应变大，微驱动器的输出位移也就比较大同时输出力大，带载能力强可达到200800N。但铁磁材料在磁场作用下，除了产生磁致伸缩外，同时伴有发热现象导致精度变差，只适用于对热源不敏感的定位场合。为了防止发热严重，一般需要安装冷却装置。235压电陶瓷微驱动器压电陶瓷微驱动器是利用压电材料在外电场作用下，由感应计划而引起应变来实现微位移输出。压电陶瓷微驱动器具有体积小、结构紧凑、无机械摩擦、无间隙、无热源等优点，理论上位移分辨率无限小，可以实现亚微米甚至纳米级的定位精度。同时响应速度较快，在小信号1NM输入时频响大于1KHZ。并有较大的力输出，约为39，铷。而且功耗低，当使物体保持一定位置时，器件儿乎无功耗。作为一种固体器件，易与电源、位移传感器、微机等实现闭环控制，且比超磁致伸缩驱动器和形状记忆合金等其它微驱动器的体积要小得多。但它所需驱动电压高，输出位移较小，一般为几十微米。压电材料还有迟滞、非线性、蠕变等不良特性，给控制带柬了一定的困难，此外，具有不能承受拉力和扭力、退极化会引起失效等缺点。图23WTYD型压电陶瓷微驱动器综上述分析，电热式微驱动器传动杆与周围介质之间存在热交换，从而影响定位精度，而且存在热惯性，并不适用于快速定位。电磁式微驱动器也存在热变形，会导致精度变差，而泄漏电磁也会影响仪器仪表工作。记忆合会微驱动器主浙江人学硕士学位论文要缺点是响应速度慢，难以用于动态控制。磁致伸缩微驱动器由于磁铁长期工作存在发热问题，铁磁材料在磁场作用下，除产生磁致伸缩外，还伴随着受热伸长，其应用也受到了限制，同时这种机构的位移阶跃响应存在瞬间的振荡，灵敏度要求高时系统会难以稳定。相比较于上面几种微驱动器，压电陶瓷微驱动器虽然存在着迟滞、非线性、蠕变等不良特性，但是以其位移分辨率高、响应速度快、结构刚度大、能耗低、不受磁场干扰、无磨损和无需润滑等诸多优点，已被广泛地应用于微定位系统中，压电陶瓷驱动的微定位平台研究也成为研究微定位系统的一个主要方向。因此本文采用压电陶瓷作为系统的微驱动器，并选择了如图23所示的电子科技集团26所生产的WTYD型压电陶瓷微驱动器。24微动定位平台支撑导向机构分析微驱动器输出位移之后，需要用配套的支撑导向传动机构以尽可能小的误差来传递位移，其主要功能是用来保证各运动部件的相对位置和相对运