（机械制造及其自动化专业论文）二维超精工件台及其控制系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 全文摘要 精密定位是现代高新科学领域最为关键和共性的基础技术之一，在尖端工业 生产和科学研究中占有极其重要的地位，具有广阔的应用前景。为此，本文在设 计基于柔性铰链的二维超精微动工件台本体结构，并分析其运动和动力学性能的 基础上，采用分布式体系结构和模块化设计思想，以高性能d s p + f p g a 为中心测 控单元，p a 8 5 为功率放大模块，结合控制技术最新研究成果，研发了一套数字 式的二维精密工件台驱动控制系统，并实现了系统的集成。研究的主要工作在于： 第一章，综合论述开展精密定位技术研究的重要意义，全面分析基于压电陶 瓷驱动和柔性铰链机构传动的精密工件台关键技术的研究现状和发展趋势，阐明 了研究二维超精工件台的重要性，提出了本论文的研究内容及各章节的安排。 第二章，设计了一种二维微动精密工件台的机械本体，简单介绍了该精密工 件台的基本结构和工作原理，并对其进行了运动学和动力学性能分析，有限元分 析验证了设计的可行性。 第三章，分析了压电陶瓷驱动器的迟滞非线性机理，比较了各种迟滞模型的 优缺点，选用p r e i s a c h 模型对压电陶瓷驱动器的迟滞特性进行建模，并分别采 用神经网络和支持向量机求解函数拟合和逼近问题，实现对压电陶瓷驱动器迟滞 非线性的表征，通过实验与理论分析结果的比较证实了基于支持向量机的 p r e i s a c h 模型的有效性和优越性。 第四章，以二维微动精密工件台为应用对象，采用d s p + f p g a 作为中心测控 单元，p a 8 5 为功率放大模块，研发了一套数字式二维精密工件台驱动控制系统， 详细分析了各功能模块的具体实现过程，总结了一些在设计和调试中的经验，并 最终完成了一套精密定位综合实验平台的集成。 第五章，在建立精密工件台整个闭环系统传递函数的基础上，详细分析了基 于前馈模型的开环定位控制方法、普通p i d 半闭环控制方法、基于遗传算法整 定的p i d 半闭环定位控制方法和基于离散论域的模糊p i d 半闭环控制方法，并 应用本文所开发的实验平台进行精密定位实验和平面内曲线轨迹跟踪实验研究， 对实验结果进行比较分析，验证了本文设计的控制系统的优越性，并从中确定出 较优的控制算法。 第六章，对全文的工作进行了全面总结，并展望了下一步的研究方向。 关键词：微动精密工件台；柔性铰链；压电陶瓷驱动器；控制器 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r e c i s i o np o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y , w h i c hp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ea n dh a sg o o da p p l i c a t i o n p r o s p e c ti nt h es o p h i s t i c a t e di n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h , i so n eo ft h ek e y t e c h n o l o g i e si nm o d e ms c i e n c ef i e l d s h e n c e , o nt h eb a s i so fd e s i g n i n gt h em e c h a n i s mo fa 2 - d o fm i c r o - d i s p l a c e m e n tp r e c i s i o nw o r kt a b l ea n da n a l y z i n gi t sk i n e m a t i ca n dd y n a m i c p e r f o r m a n c e ，t h ed r i v i n gc o n t r o ls y s t e mf o rt h i sw o r kt a b l ei sd e v e l o p e da n dt h ei n t e g r a t e d e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sr e a l i z e d ，b ym e a n so fa d o p t i n gd i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r ea n dt h ed e s i g n t h o u g h to fm o d u l a r i z a t i o n ，a p p l y i n gd s pa n df p g a a si t sc e n t r a lc o n t r o lu n i ta n dp a 8 5a sp o w e r a m p l i f yu n i ta n dc o m b i n i n gw i t ht h el a t e s tr e s e a r c ha c h i e v e m e n t so fc o n t r o lt e c h n o l o g y t h e c o n t e n so f t h i sd i s s e r t a t i o n a sb e l o w ： c h a p t e rl ：t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h o np r e c i s i o np o s i t i o n i n g t e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d ，t h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n da r ee x p a t i a t e d ，t h e e s s e n t i a l i t yo fr e s e a r c ho n2 - d o fp r e c i s i o nw o r kt a b l ei si l l u s t r a t e d ，t h er e s e a r c hc o n t e n to ft h i s d i s s e r t a t i o ni sp r e s e n t e da n de a c hc h a p t e ro ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa r r a n g e d c h a p t e r2 ：a2 - d o fm i c r o - d i s p l a c e m e n tp r e c i s i o nw o r kt a b l ei sd e s i g n e da n di t sb a s i s s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l ei si n t r o d u c e d ，t h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so ft h i sw o r kt a b l ea r e a n a l y z e d ，a n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si su s e dt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo fa b o v ed e s i g n c h a p t e r3 ：t h eh y s t e r e s i sn o n l i n e a r i t ym e c h a n i s mo ft h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i ca c t u a t o ri s a n a l y z e d ，t h ep r e i s a c hm o d e li sc h o s e nt om o d e lt h eh y s t e r e s i sc h a r a c t e ro ft h ep z ta c t u a t o ra f t e r c o m p a r i n gt h ef e a t u r e so fa l ld i f f e r e n th y s t e r e s i sm o d e l s ，a n dt h e nn e u r a ln e t w o r ka n ds u p p o r t v e c t o rm a c h i n e ( s v m ) a r er e s p e c t i v e l yu s e dt os o l v et h ep r o b l e mo ff u n c t i o na p p r o x i m a t i o n ，i n o r d e rt oc h a r a c t e r i z et h eh y s t e r e s i sn o n l i n e a r i t yo ft h ep z ta c t u a t o r ac o n c l u s i o ni sg o tt h a tt h e p r e i s a c hm o d e lb a s e do ns v mi sm u c hm o r ee f f e c t i v ea n de x c e l l e n tt h r o u g hc o m p a r i n gt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t s c h a p t e r4 ：ad i g i t a ld r i v i n gc o n t r o ls y s t e mo f2 - d o fp r e c i s i o nw o r kt a b l e a p p l y i n gd s pa n d f p g aa si t sc e n t r a lc o n t r o lu n i ta n dp a 8 5a sp o w e ra m p l i f yu n i t , i sd e v e l o p e d e a c hf u n c t i o n m o d u l ei sa n a l y z e di nd e t a i la n de x p e r i e n c ei ss u m m a r i z e di nt h ep r o c e s so ft h ed e s i g na n dd e b u g , t h u sa ni n t e g r a t e de x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sa c c o m p l i s h e d c h a p t e r5 ：a f t e re s t a b l i s h i n gt h et r a n s f e rf u n c t i o no fw h o l ec l o s e d l o o ps y s t e m ，f o u rc o n t r o l m e t h o d si n c l u d i n gt h eo p e n - l o o pp o s i t i o n i n gc o n t r o lm e t h o db a s e do nf e e df o r w a r dm o d e l ， s e m i - c l o s e dl o o pc o n t r o lm e t h o dr e s p e c t i v e l yb a s e do nt r a d i t i o n a lp i d ，g e n e t i ca l g o r i t h m st u n i n g p i da n df u z z yp i da r ed e t a i l e d l ya n a l y z e d ，f u r t h e r m o r e ，t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r md e v e l o p e d b e f o r ei su s e dt os t u d yo i lp r e c i s i o np o s i t i o n i n ga n dt r a c k i n gc u i n ep a t hi np l a n e t h u st h e s u p e r i o r i t yo ft h ec o n t r o l l e ri sv a l i d a t e db yc o m p a r i n ga n da n a l y s i n gt h ee x p e d m e n t a lr e s u l t sa n d n 浙江大学硕士学位论文 t h eo p t i m u mc o n t r o la l g o r i t h mi sg o t c h a p t e r s6 ：t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i s d i s s e r t a t i o na r ep r e s e n t e da n di t s r e l a t e dr e s e a r c hp r o s p e c ti sp u tf o r w a r d k e y w o r d ：m i c r o - d i s p l a c e m e n tp r e c i s i o nw o r kt a b l e ；f l e x u r eh i n g e ；p z ta c t u a t o r , c o n t r o l l e r i i l 学号2 0 6 0 8 0 4 9 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，也不包含为获得逝鎏叁芏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：张嫣气签字日期： 矽。够 年易月肜日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂姿盘堂有关保留、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 权逝鎏盘鲎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： 秉式贼 导师签名： 械芒 签字日期：沙。孑年 占月6 日 签字日期：2 肺易年6 月代日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 精密定位技术研究的重要意义 精密定位是现代高新科学领域最为关键和共性的基础技术之一，不论是在航 空、航天、导弹等高精尖的国防军工领域，还是在机械、冶金、采矿等国民经济 基础工业中，都无不遍及定位技术的应用。定位技术的每一点进步，均会给上述 领域带来巨大的效益。近年来随着机械制造、计量科学、材料科学等学科的迅速 发展，精密定位技术已经进入了“亚微米一纳米”时代【l 训，高新科学技术研究成 果、跨学科综合设计、高精尖技术的应用使精密定位技术正在突破传统的光、机、 电框架，广泛应用在微机械制造【5 6 1 、微型零件的操作与装配【7 一、超精密j j 口- i - - 9 1 l 】、 生物工程【1 2 - 1 4 1 、生命与医疗科学【1 5 ，1 6 1 、光学调整【1 7 - 1 9 1 、扫描隧道显微镜【2 0 1 、半 导体制造设备以及光电等领域中【2 l ，2 2 1 。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，欧美等先进国家在军工武器和高科技等方面的领先地位得益于其在精密定位 和测试技术方面的发展水平：同样，他们在微电子技术、通信领域、计算机、光 学、i t 和办公自动化等民用高技术方面的领先也是与其在精密测试与制造技术 方面的领先地位分不开的。 作为精密定位技术研究中的一个不可或缺的组成部分，精密工件台能够提供 具有纳米级分辨率的微米级步进位移，已被广泛应用于微型机械制造、超精密加 工、生物工程、集成电路制造、光学调整和扫描隧道显微镜等领域中，有力地促 进了精密定位技术的发展。精密工件台是集精密位置检测技术、驱动技术、直线 导向技术、控制技术等多项技术为一体的有机综合体幽1 ，主要由微位移致动器、 微位移机构、驱动和控制系统及微位移检测传感器等部分所组成。随着世界各国 对精密工件台技术研究不断地深入，精密工件台在机构、测量、驱动和控制技术 等方面有了长足地进步，使工件台朝高精度、高速度和大行程的方向发展。 压电陶瓷驱动器具有分辨率高、产生的推力大、响应速度快、能耗低、不受 磁场干扰、没有磨损以及不需润滑等优点1 2 4 2 5 1 。柔性铰链具有无滑动摩擦、无 迟滞、不需润滑以及运动平滑和运动分辨率高等优点【2 6 ，2 7 1 。压电陶瓷驱动器和 柔性铰链的这些优点，使得以压电陶瓷驱动器作为驱动元件，以柔性铰链机构作 为柔性导轨的精密工件台能够提供高定位精度和快响应速度。因此，研究基于压 电陶瓷驱动器和柔性铰链的精密工件台得到了社会各界的广泛重视。为提高压电 陶瓷驱动精密工件台的定位精度和响应速度，必须在充分利用压电陶瓷驱动器和 柔性铰链优点的同时，减小其固有的位移伸长量小、蠕变、迟滞非线性以及不能 浙江大学硕士学位论文 承受拉力和扭力等缺点所带来的负面影响。因此，高性能柔性导轨的设计、压电 陶瓷驱动器迟滞非线性和蠕变的消除、高精度定位误差的控制以及与其相关的各 种关键技术的研究也就变得十分重要。 精密定位技术的水平反映了一个国家的综合经济实力和技术水平，是国家制 造技术水平的重要标志，是先进制造技术的重要支柱。我国在精密定位技术及其 应用方面，如集成电路芯片的制造、计算机的芯片、磁盘、激光打印机的生产等 的研究还比较落后。因此，开展精密工件台系统的研究有利于跟踪国际先进定位 技术的发展动向，缩小与国外同行业的技术差距，促进我国精密仪器仪表和精密、 超精密加工水平的提高，包括大规模集成电路制造技术的发展，具有重大而深远 的意义。 1 2 精密工件台关键技术研究现状和发展趋势 基于压电陶瓷和柔性铰链的优点，越来越多的专家和学者对压电陶瓷驱动的 柔性铰链精密工件台进行了研究，其基本原理是以柔性铰链为导向机构的基本单 元及弹性支承组成微位移机构，以压电陶瓷驱动器为驱动机构，伎柔性铰链变形 带动整个运动机构产生运动实现精密定位。主要的研究工作在于柔性铰链平台设 计优化、压电陶瓷驱动器迟滞非线性建模技术以及精密工件台的控制技术。 1 2 i 柔性铰链微位移平台研究现状及其发展趋势 1 9 7 8 年，美国国家标准局的f r e d r i ce s c i r e 和e c l a y t o nt e a g u e 2 s 】首 先采用以柔性铰链为导向机构，以压电陶瓷微位移器为驱动元件的原理成功研制 了一维精密工件台，并应用于光学和电子显微镜。其结构和等效图如图1 - 1 所示。 它采用杠杆原理与柔性铰链相结合的整体式结构，利用叠层式压电陶瓷作为驱动 元件，具有结构紧凑、无间隙、无摩擦、无需润滑、无轴承噪音等优点，在低频 下运行没有内热产生。该精密工件台的设计参数为l o o n m n l o o m m 2 0 m m ，行程范 围为0 5 0 岬，微位移分辨力为l n m 。 1 9 9 1 年，日本学者k n i s h i m u r a 2 9 】利用杠杆的放大和缩小原理设计了一种 精密工件台并将其应用在扫描隧道显微镜中，其工作原理如图1 - 2 所示。该工件 台的设计尺寸为4 0 n 呵n x 4 0 m m 2 0 m m ，其中放大杠杆的最大位移为5 3 1 t m ，缩小杠 杆的最大位移为0 0 9 1 1 j m ，分辨力为0 1 n m 。 1 9 9 1 年，美国国家与技术研究院( n i s t ) 的j f u 【3 0 】等人研制了二维x - y 精 密工件台，用于扫描隧道显微镜( s t m ) 中实现了样品大范围二维扫描。如图1 - 3 所示，该工件台的x 、y 方向采用相同的柔性铰链机构，均通过杠杆放大机构实 现压电陶瓷输入位移的传递和放大，并拉动微动平台实现精密定位。该纳米工件 2 * 江大学硬1 学位女 台的晟大行程为5 0 0 p m 5 0 0 p m ，分辨力为l n m 。 围1 4q i n gy a o 设计的二维并联馥动平台 浙江大学硕十学位论文 1 9 9 1 年，日本学者t f u j i i l 3 2 】等人研制了三维精密工件台，成功地用于 a f m ( 原子力显微镜) 中，实现了对半导体集成电路微观表面形貌的测量。如图1 5 所示，该微动工作台的x - y 方向微动机构为整体式结构，由整块金属板通过线切 割机切割制成，以实现对样品的二维扫描( 图1 5 a ) ，z 向微动机构也采用同样方 法制成，以实现样品的进给定位( 图1 5 b ) 。z 向定位部分和x - y 向扫描部分通过 粘接组成三维定位机构，实现样品的三维运动。三维运动机构均采用柔性铰链为 弹性支承的柔性平行四连杆结构为运动导向机构，由压电陶瓷驱动实现三维运 动。该三维微动工作台x 、y 、z 方向最大行程分别为1 2 9 m ，8 1 a m ，5 9 m ，定位精 度为0 0 1 i _ u n 。 ( a )( b ) 图1 5t f u j i i 设计的三维精密工件台 2 0 0 4 年，韩国科学技术院的d o n g m i nk i m 3 3 1 等人研制了基于柔性铰链的三 维精密工件台，并用于原子力显微扫描仪中，减小了阿贝误差。如图1 - 6 所示， 该工件台x 、y 、z 方向最大位移分别为1l o l a m ，1 2 3 6 p m ，1 1 岬，试验结果表明 当阿贝偏移量为0 5 m m 的时候，阿贝误差只有1 8 2 n m ，这在微米亚微米测量技 术中误差是非常小的，具有很广阔的应用前景。 图1 石d o n g m i nk i m 设计的三维精密工件台 4 浙江大学硕上学位论文 国内也很早就开始了这方面的研究工作，清华大学1 3 4 j 在单平行四杆机构的 基础上开发了一种用于精密测量的一维精密工件台。如图卜7 所示，它具有直接 传动、无摩擦、结构紧凑、重量轻、刚度大和分辨率高等优点。该工作台可以达 到0 2 n m 的测量分辨率和l n m 的定位精度。将这种精密工件台与相对较大量程的 粗动定位工作台配合，则可以同时满足大量程、高精度的定位要求。在此基础上， 李庆祥【2 5 2 6 1 教授等人在二十世纪八十年代就开发了基于柔性铰链和压电陶瓷驱 动器的二自由度精密工件台，可以在单层上实现两个方向的微动。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，如图卜8 所示，在工作台的a 、 b 两处分别安装一个压电微位移驱动器，当在压电式驱动器上施加电压时产生位 移输出，由于四连杆受力而变形，获得两个方向的微位移。其技术指标为：尺寸 范围为1 3 0 r a m l o o m m x 2 0 m m ，最大行程为l o l x m ，定位精度为0 0 3 1 a m 。 p z t固定件运动件 图1 - 7 清华大学设计的精密工件台图卜8李庆祥设计的二维工件台 西安交通大学的王海容【3 5 1 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，其工作原理如图卜9 所示，在压电陶瓷驱动器和直线电机 的驱动下获得了最大l m m 的位移输出和纳米级分辨率，而且机构具有较好的线性 度和重复性。 图1 - 9 王海容设计的大行程压电陶瓷驱动精密工件台 天津大学王建林 3 6 1 等人采用整体式结构设计了三维纳米精密工件台。如图 卜1 0 所示，x ，y 方向均以柔性铰链为弹性导轨的柔性双平行四杆机构实现运动导 浙江大学硕士学位论文 向，z 向采用以柔性八杆对称联动机构实现运动导向，利用叠堆式压电陶瓷作为 微位移驱动器，分别实现x 、y 、z 向微位移，其最大行程为l o i _ u n xl o p a n xl o p a n 。 该工作台定位精度优于0 0 3 1 咀m ，定位分辨率3 n m ，最大定位时间4 0 m s 。 图1 - 1 0 王建林设计的三维一体精密工件台 另外，哈尔滨工业大学，中国科学院，上海交通大学，浙江大学等也进行了 类似的研究【3 7 喇】。 上述分析表明，国内外专家和学者积极开展对柔性铰链精密工件台的深入研 究，不断研制出各种结构的精密工件台，使工件台朝高精度、高速度、大行程、 多自由度的方向发展，同时也带来了一些难以避免的问题，如多自由度的精密工 件台必然存在不同自由度上的位移耦合问题，高精和高速以及高精度和大行程是 两对相互制约的矛盾，难以同时得到满足。因此，如何减小各自由度之间的耦合 以及解决高速和高精以及高精度和大行程之间的矛盾是我们值得研究的重点和 方向。 1 2 2 压电陶瓷驱动器迟滞非线性建模技术研究现状及趋势 压电陶瓷驱动器具有分辨率高、产生的推力大、响应速度快、能耗低、不受 磁场干扰、没有磨损以及不需润滑等优点。与此同时，压电陶瓷具有位移伸长量 小、蠕变、迟滞非线性以及不能承受拉力和扭力等缺点1 4 5 4 6 1 。压电陶瓷的一些 缺点可以通过简单的方法来克服：如位移伸长量小可以通过放大机构来增大位 移：不能承受拉力和扭力可以在实际工作中避免这种工作状态；而对于非线性迟 滞，由于其成形机理非常复杂，是压电材料固有的非线性现象，且电压强度越强， 迟滞现象越严重，它可能导致压电系统鲁棒性差，稳态误差大等难以预测的影响。 为减小迟滞非线性的影响，必须对其进行合理建模，从而实现有效控制，提高压 电陶瓷的输出位移精度和改善动态性能。对此，国内外很多专家学者提出了相应 6 浙江大学硕上学位论文 的技术方案，建立了机电等效模型、m a x w e l l 模型、b o u n c w e n 模型、d a h l 模型、 p r e i s a c h 模型以及一些基于p r e i s a c h 模型的智能模型。 机电等效模型【4 7 ，铝】是基于物理原理而建立的，采用一阶微分方程描述迟滞 效应，偏微分方程描述机械效应。利用能量守恒定律，将机械效应转化成由一些 电容、电阻、电源等组成的电路，其结构形式简单易懂，但是对于实际的迟滞非 线性行为描述不完备，精度较低。 m a x w e l l 建模技术【4 9 】是h y s t e r o n 模型在压电陶瓷驱动器非线性建模中的应 用，运用能量参数法，利用多个简单的弹性滑块元件组成，它的相对关系是位移 和力。为更准确的模拟压电陶瓷驱动器的迟滞特性，必须有尽可能多的弹性滑块 元件并联，元件的增加会导致参数的增多，从而导致模拟过程中参数调整的困难 增加；另外，此模型为一静态模型，与频率无关，环境参数的改变如外力的干扰、 输入波形的变化、输入频率的变化等均导致模型无法准确的模拟压电陶瓷驱动器 的迟滞非线性。 b o u n c - w e n 模型【5 2 】可以较为准确的描述迟滞非线性，模型参数少，易于控 制器的设计，但是对于迟滞特性的描述不完备，并且对初始状态的依赖性强，所 以模型的准确性受初始状态的限制。 d a m 模型【5 3 鞠将迟滞行为的产生以力的形式描述，易于理解，但是需要在 频域中对其进行研究，并且由于模型参数较多，在参数整定过程中有一些困难。 p r e is a c h 迟滞非线性建模【5 5 5 8 】是1 9 3 5 年物理学家f p r e is a c h 基于磁效应 提出的，为最早的描述迟滞现象的非线性建模技术，常被用来模拟各种迟滞材料 的迟滞现象。p r e i s a c h 模型是一种最具代表性的描述迟滞的方法，其对于迟滞 的特性描述完整，而且经过改良后的模型透过图形来解释方面易懂。p r e i s a c h 模型能够较准确的描述压电陶瓷驱动器静态非线性特性，但其建模过程复杂，并 且需要很多特定的建模试验。 此外，国内很多高校和学者也对此展开了大量的研究，哈工大的孙立宁【5 妯， 上海交通大学的赵新龙、党选举、谭永红【6 2 4 9 1 ，浙江大学的魏燕定【7 0 ，7 1 1 ，北京 理工大学的刘向东【7 2 _ 7 8 】等人在压电陶瓷驱动器迟滞非线性建模方面做了大量的 工作，建立了压电陶瓷驱动器的数学模型、物理模型、逆模型以及智能模型等， 取得了不错的效果，在实际应用中有待进一步研究。 大量的研究表明p r e i s a c h 迟滞非线性模型因其能准确的描述压电陶瓷驱动 器的迟滞非线性而得到了最广泛的应用，取得了不错的效果，但是模型的准确性 依赖于特性建模实验的准确性和可重复性以及非线性曲线拟合方法的优略。因 此，为了提高p r e i s a c h 模型的准确性，进行大量的测试实验和应用最优的非线 性曲线拟合方法是非常有必要的。 7 浙江大学硕士学位论文 1 2 3 精密工件台控制技术研究现状及发展趋势 正确描述压电陶瓷迟滞非线性，建立迟滞非线性模型以及设计高精度的柔性 铰链精密工件台是提高压电陶瓷驱动柔性铰链精密工件台定位精度的有效措施， 此外，采取适当的控制方式、驱动方式和控制算法对精密工件台进行精度控制也 会大大提高其定位精度。在控制方式上，可采用开环控制或闭环控制；在驱动方 式上，可采用电压驱动或电荷驱动；而在控制算法上，除了传统的p i d 控制外， 还出现了许多模糊控制、自适应控制、神经网络控制等新的算法。 1 ) 电压驱动开环控制 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。由于开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一压电陶瓷驱动器的数学模型7 9 - 8 2 】。 开环控制系统组成简单，成本较低，但由于其控制精度主要取决于所拟合的 压电陶瓷驱动器的特征曲线，而该特征曲线往往随载荷状况而变化，再加上压电 陶瓷在恒定电场下的蠕变，所以控制精度较低。 2 ) 电压驱动闭环控制 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，从而实现压电陶瓷执行器的位移控制【8 3 。8 ”。 采用电压驱动实现起来简单方便，可以将d s p 等高性能的微处理器引入以实 现数字化可调电压，具有输出精度高、调节方便等特点，同时所带来的缺陷是压 电陶瓷的迟滞非线性，但可以通过闭环控制来补偿。因此电压驱动闭环控制是一 种被广泛采用的驱动控制方式。 3 ) 电荷驱动闭环控制 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【8 6 】。同电压驱动式开环控制 相比，电荷驱动式开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 获得的线性是在小电场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，通常都将电荷驱动与闭环控制相结合。 但是，电荷驱动一般只适用于交流驱动或绝缘阻抗非常高的场合。这是因为， 当压电陶瓷的绝缘阻抗较低时，便会产生绝缘漏电阻，从而引起电荷的泄漏，所 以如果不采取一定的措施，就无法稳定地进行控制。 4 ) 控制算法 无论开环控制还是闭环控制，电压驱动还是电荷驱动，要使微动平台达到所 需的定位精度及动态特性，都必需与一定的控制算法相结合。除了传统的p i d 控制算法外，还出现了许多新的算法，如模糊算法、自适应算法、遗传算法、神 8 浙江大学硕十学位论文 经网络算法，以及将某两种方法结合起来的复合控制算法等【8 7 母1 1 。传统的数字 p i d 控制算法简单，易于实现，实用性强，是目前应用最为广泛的控制算法，但 是存在参数整定的困难，一般根据实际工程经验整定。而模糊算法、遗传算法以 及神经网络算法等智能控制方法虽然具有自学习和自适应功能，能实现对难以确 定模型的系统以及非线性系统的控制，但是由于算法比较复杂，难于实现实时控 制，目前主要处于理论研究阶段，实际应用中比较少，有待进一步研究。 从上述分析可以看出，电压驱动闭环控制是一种比较理想的驱动控制方式， 随着d s p 技术的发展，如果将d s p 技术引入以实现高精度数字式电压驱动控制， 再结合一种既能保持传统p i d 简单实用的优点，又能解决p i d 参数整定的算法， 将显示出巨大的应用潜力。 1 3 本论文的研究内容及安排 综上所述，精密定位是现代高新科学领域最为关键和共性的基础技术之一， 在尖端工业生产和科学研究中占有极其重要的地位，具有广阔的应用前景。为此， 本文在设计基于柔性铰链的二维微动精密工件台本体结构，并分析其运动和动力 学性能的基础上，采用分布式体系结构和模块化设计思想，以高性能d s p + f p g a 为中心测控单元，p a 8 5 为功率放大模块，结合控制技术最新研究成果，研发了 一套数字式的二维精密工件台驱动控制系统，并实现了系统的集成。研究的主要 特色体现在： 1 ) 以二维微动精密工件台为应用对象 随着精密工件台技术的不断发展，六自由度的精密工件台将成为发展趋势， 但是研制六自由度的精密工件台并非一蹴而就，而是建立在低维的基础之上。因 此，研制结构简单、精度高、频响特性好的二维精密工件台对于设计更高维的精 密工件台具有非常重要的意义。本文利用平行四杆机构和杠杆放大原理设计了以 柔性铰链为支承导轨，以压电陶瓷驱动器为驱动元件的二维微动精密工件台，理 论分析和仿真试验表明该工件台具有结构设计简单、精度高、响应速度快的优点。 2 ) 以电压驱动半闭环控制为驱动和控制方式、模糊控制同p i d 控制相结合的 复合控制为控制算法 由于电压驱动易于实现，且控制方便，所以本文在驱动方式上采用电压驱动， 并运用高性能的d s p 和f p g a 微处理器芯片，研制高精度数字式驱动电源；采用 半闭环控制，既能保证一定的精度，又能避免昂贵的高精度位移传感器的费用和 安装传感器所带来的不便；在控制算法上，采用模糊控制同p i d 控制相结合的半 闭环复合控制算法。研究表明该控制方法的定位精度比开环控制提高8 0 ，比单 纯的前馈控制或p i d 反馈控制提高5 0 ，这种复合控制同其它控制算法相比，其 算法也比较简单。因此，这是一种比较优良的复合控制。 9 浙江大学硕士学位论文 3 ) 以高速高精度为追求目标 研制高速高精的精密工件台及其控制系统是精密工件台技术发展的趋势，也 是本文所追求的目标。精密工件台技术是集精密位置检测技术、驱动技术、直线 导向技术、控制技术等多项技术为一体的有机综合体，其中任何一项技术得到改 进或提高，都能使精密工件台的整体性能得到提高。本文主要从三个方面对精密 工件台技术进行了研究，包括二维微动精密工件台的结构设计和参数优化，压电 陶瓷驱动器的迟滞非线性建模和高性能控制器的研制，并实现了系统的集成，开 发了一套精密定位综合实验平台，整个平台体现出了“结构模块化、功能柔性化、 性能高档化”的特点。 为此，本论文共分六章，各章节具体安排如下： 第一章，综合论述开展精密定位技术研究的重要意义，全面分析基于压电陶 瓷驱动和柔性铰链机构传动的精密工件台关键技术的研究现状和发展趋势，阐明 了研究二维超精工件台的重要性，提出了本论文的研究内容及各章节的安排。 第二章，设计了一种二维微动精密工件台的机械本体，简单介绍了该精密工 件台的基本结构和工作原理，并对其进行了运动学和动力学性能分析，有限元分 析验证了设计的可行性。 第三章，分析了压电陶瓷驱动器的迟滞非线性机理，比较了各种迟滞模型的 优缺点，选用p r e i s a c h 模型对压电陶瓷驱动器的迟滞特性进行建模，并分别采 用神经网络和支持向量机求解函数拟合和逼近问题，通过实验与理论分析结果的 比较证实了基于支持向量机的p r e i s a c h 模型的有效性和优越性。 第四章，以二维微动精密工件台为应用对象，采用d s p + f p g a 作为中心测控 单元，p a 8 5 为功率放大模块，研发了一套数字式二维精密工件台驱动控制系统， 详细分析了各功能模块的具体实现过程，总结了一些在设计和调试中的经验，并 最终完成了一套精密定位综合实验平台的集成。 第五章，在建立精密工件台整个闭环系统传递函数的基础上，详细分析了基 于前馈模型的开环定位控制方法、普通p i d 半闭环控制方法、基于遗传算法整 定p i d 参数的半闭环定位控制方法和基于离散论域的模糊p i d 半闭环控制方法， 并应用本文所开发的实验平台进行精密定位实验和平面内曲线轨迹跟踪实验研 究，对实验结果进行比较分析，验证了本文设计的控制系统的优越性，并从中确 定出较优的控制算法。 第六章，对全文的工作进行了全面总结，并展望了下一步的研究方向。 1 0 浙江大学硕上学位论文 第二章二维微动精密工件台的设计与分析 l + l ；l l i 要- i 设计了一种二维微动精密工件台的机械本体，简单介绍了精密工件台的基本结 构和工作原理，并对其进行了运动学和动力学分析，其中运动学分析包括逆向运动学建模、 前向运动学建模和速度分析，同时运用有限元分析软件a n s y s 对精密工件台进行分析，对设 计进行验证。 2 1引言 微动精密工件台是整个微位移系统输出位移的最终环节，所以微动精密工件 台设计是否合理直接影响着整个微位移系统的性能。微动精密工件台需要把压电 陶瓷驱动器输出的位移尽可能小误差地传递到最终的输出端，所以其中包含的导 轨形式特别重要。第一章中已经分析了柔性铰链作为导轨具有非常多的优点，因 此本章中我们选择柔性铰链作为支承导轨，对微动精密工件台结构进行设计，并 采用a n s y s 软件对设计的结构进行有限元分析和参数优化， 2 2 二维微动精密工件台的设计 由于压电陶瓷驱动器本身的位移非常小，标称位移只有9 p m ，因此为了获 得较大的位移输出，需要对驱动器的位移进行放大。本文根据平行四杆机构和杠 杆放大原理设计了如图2 1 所示的 二维微动精密工件台，该工件台包 括运动台、固定台、压电陶瓷驱动 器夹紧机构以及两条基于柔性铰链 的运动链。用圆锥销将固定台固定 在底座上，运动台通过柔性铰链和 固定台相连接，通过调节预紧螺栓 实现压电陶瓷驱动器的预紧。其基 本的工作原理是：对p z t 驱动器施 加电压，驱动器发生位移，产生的 推力使得柔性铰链发生微小位移， 并通过杠杆原理放大后推动运动台 输出位移，通过改变x 、y 方向上驱 动器的电压可实现运动平台在二维 平面内的运动。 图2 1 二维微动精密工件台结构示意图 浙江大学硕士学位论文 2 2 运动学分析 在以下的运动学分析中，定义d = 【吐d ：】t 表示驱动器的输出位移向量， g = 【g q 2 】t 表示驱动器输出的位移经放大机构放大后的输出位移向量， p = 【x 纠t 表示运动台上某一点的位置向量。 2 2 1 逆向运动学建模 如果给定运动平台的位置，可以通过逆运动学分析来求得压电陶瓷驱动器所 需要产生的位移，具体分析过程如下。 图2 - 2 单路运动链简图 如图2 2 所示为二维微动精密工件台在x 或y 单方向上的运动链简图 ( i = i ，2 ) ，为了便于分析，取原点0 为两个压电陶瓷驱动器e l 和e 2 的中心，运 动平台通过两条长度为，、宽度为b 的柔性铰链运动链a i b i 和c i d i 与压电陶瓷驱 动器相连，点f i 和g i 分别为a d i 和b i c i 的中点，两个长度为d 的向量卯相交 于点p ，且与向量局局的方向相同，角口为压电陶瓷驱动器安装后与x 轴的夹 角，0 i 运动链a i b i 与x 轴的夹角，由图可得矢量方程【9 2 】 雪= 玩+ g j 己+ 玎i + d 瓦 ( 2 1 ) 式中茜i 表示点e i 的位置矢量，砖表示第i 个柔性铰链的单位矢量，7 ：表示从点 f i 到g i 方向上的单位矢量。令置= p 一一a 一。一d e t ，则式( 2 1 ) 可以简化为 h j q a = 配 ( 2 2 ) 对式( 2 2 ) 进行自点积运算，再移项求解方程可以推导出逆运动学问题的解 g ；= 厅，1 或( 红。亏) 2 一啊7 啊+ z 2 ( 2 - 3 ) 从式中可以看出有两个解，考虑到压电陶瓷驱动器的行程范围很小，而且柔 性铰链的转角范围也很小，在实际中g 取较小值，可以扩展为 留l = o + a ) c o s ( r + y s i n a d - v 1 2 一【( x + a ) s i n a y c o s t l 2 ( 2 - 4 ) 1 2 浙江大学硕士学位论文 9 2 ：( a - x ) c o s 口+ y s i i l 口一d x 2 _ ( a - x ) s i n a - y c o s a 2 ( 2 - 5 ) 由上述分析可得，当已知平台上一点p 坐标时( x ，y ) ，根据式( 2 4 ) 和( 2 - 5 ) 可求出经过放大机构输出的位移( g 。，g ：) ，从而求得驱动器的输出位移( 吐，d ：) 。 2 2 2 前向运动学建模 如果给定驱动器的输出位移，可通过前向运动学分析求得运动平台的位置， 具体分析过程如下。 对于式( 2 1 ) ，令丘= 匾+ ( 吼+ 孑) 或，则可化简为 芦一kl=llj(2