（机械制造及其自动化专业论文）基于pzt微定位系统控制研究.pdf

渐江大学硕士学位论支 摘要 本文系统地分析和研究了以柔性铰链机构为导轨，压电陶瓷驱动的超精密微 位移系统：采用有限元法设计了一个以柔性铰链机构为导轨的二维微动台；对压 电陶瓷微位移器的p r e i s a c h 模型和基于p r e i s a c h 模型的控制方法进行较为深入 的理论分析和实验研究，并研究比较了几种不同的控制方法。 全文内容如下： 第一章综述了进行精密微定位系统研究的目的和意义，分析了构成微定位系 统的各个组成部分的发展和优缺点，并回顾了以柔性铰链机构为导轨，压电陶瓷 驱动的超精密微位移系统国内外的发展概况和研究现状，确定了本论文的研究任 第二章首先对柔性铰链进行了理论分析，得出了柔性铰链的设计公式；系统 的分析了平行四杆机构的运动特性，推导了采用平行四杆机构的微动工作台的静 态刚度：介绍了有限元分析方法和a n s y s 软件，用a n s y s 软件优化设计了一个二 维微动工作台，并对工作台进行了静态分析和模态分析。 第三章对压电陶瓷微位移器的驱动机理和特性进行了理论分析，实验测试了 w s y d 型和w t d s 型压电陶瓷驱动器的特性。 第四章分析了压电陶瓷的极化机制及其迟滞非线性迟滞的机理，分析比较了 压电陶瓷迟滞非线性几种模型；推导了压电陶瓷微位移器的p r e l s a c h 模型，进 行了实验建模，并对所建的p r e i s a c h 模型进行实验验证。 第五章构建了一个用于研究控制方法的微定位实验系统，并对实验系统进行 了测试。 第六章首先建立了微位移系统的控制模型，对基于p r e i s a c h 模型的开环控 制、p i d 反馈控制和p r e is a c h 模型前馈的p i d 控制进行仿真和实验研究。介绍 了模糊控制和自适应逆控制在微位移系统控制中的应用。 第七章概括了本论文的主要工作，并展望今后需要进一步开展的工作。 关键字：压电陶瓷驱动器，柔性铰链，p r e i s a c h 模型，p i d 控制，模糊控制 自适应逆控制，微动工作台 浙江大学坝士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em i c r o - p o s i t i o n i n gs y s t e ma c t u a t e db yp i e z o c e r a m i ch a s b e e ns t u d i e d at w od e g r e e sm i c r os t a g e ，w h i c hu s e sf l e x u r eh i n g e ，h a sb e e nd e s i g n e d b yu s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h ep r e i s a c hm o d e lo ft h ep i e z o c e r a m i ch a sb e e n f o u n d e d ，s o m em e t h o d so fc o n t r o lb a s e do np r e i s a c hm o d e li n m i c r o p o s i t i o n i n g s y s t e mh a v eb e e ns t u d i e d s e v e r a lk i n d s o f c o n t r o la r ei n t r o d u c e d i n c h a p t e r1 , t h e a i m so ft h et h e s i sa r e p r e s e n t e d f i r s t ，t h es i g n i f i c a n c ea n d u r g e n c yo ft h er e s e a r c ho r lm i c r o p o s i t i o n i n gs y s t e ma r ee x p o u n d e d s e c o n d ，e v e r y c o m p o n e n to ft h es y s t e ma r ed i s c u s s e da n dc o m p a r e d t h i r d ，t h ep r e s e n tr e s e a r c h s i t u a t i o no nm i c r o - s t a g ea th o m ea n da b r o a di ss u r v e y e d f i n a l l y ，t h em a i nc o n t e n to f t h ed is s e r t a t i o d i sa d d r e s s e d i nc h a p t e r2 ，at w od e g r e e sm i c r os t a g ei sd e s i g n e d f i r s t ，t h ef l e x u r eh i n g ei s t h e o r e t i c a l l yi n v e s t i g a t e d s e c o n d ，t h es t r u c t u r eo fs t a g ei sd i s c u s s e d o nb a s i so ft h e f o r m e rr e s e a r c h ，am i c r os t a g ei sd e s i g n e d f i n a l l y ，f i n i t ee l e m e ma n a l y s i ss t u d i e s t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es t a g e i n c h a p t e r3 b a s e d o nt h e o r e t i c a lr e s e a r c ho ft h ea c t u a t i o nm e c h a n i s m ，t h e c h a r a c t e r i s t i co f t h ew s y da n dw t d sa c t u a t o r sa r et e s t e d i nc h a p t e r4 ，t h ep o l a r i z a t i o nm e c h a n i s ma n dt h eh y s t e r e s i sn o n l i n e a r i t yo ft h e p i e z o c e r a m i ca r ed i s c u s s e d s o m ek i n d so f m o d e l so f h y s t e r e s i si np i e z o c e r a m i ca r e i n t r o d u c e da n d c o m p a r e dt h e p r e i s a c hm o d e lo f h y s t e r e s i si np i e z o c e r a m i ci ss o lu p i nc h a p t e r5 ，a ne x p e r i m e n ts y s t e mo ft h em i c r o - p o s i t i o n i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d a n dt e s t e d ， i nc h a p t e r6 ，f i r s t ，t h em o d e lo ft h e m i c r o - p o s i t i o n i n gs y s t e mi sf o u n d e d s e c o n d ， t h eo p e n l o o pc o n t r o lb a s e do nt h ep r e i s a c hm o d e la n dt h ef e e d b a c kp i dc o n t r o la n d t h ef e e d b a c kp i dc o n t r 0 1c o m b i n e df e e d - f o r w a r db a s e do nt h ep r e i s a c hm o d e la r e s t u d i e d f u z z yc o n t r o la n da d a p t i v ei n v e r s ec o n t r o lu s i n gi nt h em i c r o p o s i t i o n i n g s y s t e ma r ei n t r o d u c e d i n c h a p t e r7 m a i na c h i e v e m e n t so ft h e d i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n dt h e f u r t h e rr e s e a r c hw o r ki sp u tf o r w a r d 浙江大学碳士学位论立 k e yw o r d s ：p i e z o - c e r a m i ca c t u a t o r , p r e i s a c hm o d e l ，f l e x u r eh i n g e ，m i c r os t a g e p i dc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，a d a p t i v ei n v e r s ec o n t r o l j j 独创性声明 y6 8 0 2 9 1 本人卢明所掣交的学位论文是在导师指导下进行的研究：l 作及取得的研究成果。据我所 知除了文中特别加以标注利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 成累，也不包含为获得逝望盘生或其他教育机构的学位或证二陋而使用过的材料。与我一 同f ：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井表示谢意。 学仿论文作者签名 也当 签字日期：p t 群年，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝垒盘芏有关保留、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 江盘茎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) 张论文作者签名= f 司形劈 签字驯：沙午年歹月牛日 学位论文作者毕业后去向 作单位 通讯地址 导师签名 物也彬 签字日期：7 矿4 年弓月6 日 电话 帅编 弘 浙江火学颀士学位论义 1 1 引言 第1 章绪论 纳米技术是2 0 世纪8 0 年代末诞生并崛起的一门崭新的前沿科技。纳米技术 是在0 1 1 0 0 n m 尺度上，研究原子、分子现象及其结构信息的高新科学技术，其 最终目标是在纳米尺度上制造具有特定功能的产品。纳米技术主要包括纳米材料 学、纳米机械学、纳米电子学、纳米显微学、纳米生物学和纳米制造工艺学等。 纳米技术的研究和发展将会在信息技术、先进制造技术、医学和健康、环境、能 源以及国家安全等方面产生突破。纳米技术的发展使微电子和光电子的结合更加 紧密，在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大 提高。单分子晶体管电路打破了硅晶体微电子器件无法逾越的物理尺寸极限，返 将会带来更高电子集成电路芯片集成度。用单分子晶体管制造的量子器件速度可 比微电子器件快1 0 0 0 1 0 0 0 0 倍，能耗可降低1 0 0 0 倍，量子微处理效率可提高 】o o 万倍。在医学领域，通过纳米技术制造生物友好的纳米级传感装置放入体内 监视人体细胞和组织的变化，探测由感染和组织变异所引起的早期的细微变化， 从而进行早期诊断和治疗。军事上，将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其 能力提高十倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高 精度的对地侦察，纳米结构加强的自动装置和机器人将减少对战斗人员的需要， 提高无人驾驶战车的性能，减少人员的伤亡无人驾驶飞机将变得更轻，更远距离 飞行。另外还有纳米技术制造的众多微型电武器，袖珍遥控机等。这些都将改变 未来的战争模式。在航天航空领域，纳米结构材料重量轻、强度高、热稳定性好， 是制造飞机、宇宙飞船、火箭、空间站、太阳等恒星观测平台展优选、最重要的 材料。利用纳米材料与纳米技术制造的纳米卫星既保留了常规卫星的军事潜力和 商用价值，又具有发射成本低、风险小和生存能力强等特点。纳米材料在包括核 武器和常规武器系统的军事领域有广泛的用途“2 ，3 5 。8 “”。 总之，纳米科学与纳米技术是2 l 世纪科学技术发展的前沿，它将导致人类 认识和改造世界能力的重大突破。它是一次新的技术革命和产业革命，必将深刻 影响国民经济和科学技术的发展。 纳米定位技术作为关键技术之一将左右着各学科纳米技术的发展。因为纳米 技术的核一0 是原子操作工程，即在原子和分子水平对物质和物质形态进行静态和 动态的控制和操作，主要有两种方式：化学方式和扫描隧道方式。化学方式是在 扫描隧道显微镜( s t m ) 或原子力显微镜( a f m ) 的辅助下，通过化学反应，构造 浙红大学i i | j l 士学位论文 纳米尺度的分子零件、机构或机器：扫描隧道方式是直接利用s t m 和a f m 对单个 原子、分子操作，构造新的材料、元件、机构或机器。s t m 和a f m 以及在此基础 上发展出来的一系列扫描探针显微镜技术( s p m ) 都是利用探针与样品不同相互 作用来探测表面或界面的纳米尺度表现出的物理和化学性质，并且形成了扫描探 针显微技术。32 2 ”。扫描探针显微技术是实现纳米测量和纳米加工的主要技术， s p m 的核心技术之一是纳米定位技术，纳米测量和纳米加工均依赖于纳米定位技 术，纳米定位技术己成为纳米测量和原子操作工程研究及走向产业化的前提条件 和工作基础。超微定位技术的发展直接关系到精密机械电子与精密仪器、超精密 测控系统的性能，直接影响到精密工程等高精度产业的发展，直接影响纳米科学 与技术的发展，因此超微定位技术已成为许多现代工业领域和前沿科学技术研究 的共同基础。 微定位技术用于实现微位移定位，具有行程小、定位精度高( 亚微米甚至纳 米级) ，易满足不同场合需要等特点。微定位系统由微定位机构( 微动工作台) 、 检测装置和控制系统组成，随着科学技术的发展，微定位技术应用越来越广泛。 从七十年代后期起，微电子技术向大规模集成电路( l s i ) 和超大规模集成电 路( v l s i ) 方向发展，随着集成度的提高，要求电路中的各种元件微型化，是有限 的微小面积上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂和完备的电路。目前己生 产的c p u 的线宽己缩小到o 1 3 u m ，许多科研机构和公司正在探索以更小的线宽 来生产集成电路。美国国防部的超高速集成电路项目( v h s i c ) ，正在试图将集成 电路的线宽降低到目前的1 0 ( 约1 0 n m ) ；英国格拉斯大学亦己加工出了3 0 n m 的 线宽；日本研究与开发公司的高技术探索研究项目( e r a t o ) 正在探索在硅片上以 黄金为导体，加工2 0 n m 的线宽，并已论证了5 r i m 的线宽在理论上是可行的。要 加工出如此的线宽，那么对与之相应的工艺设备( 如图形发生器、分步重复照相 机、光刻机、电子束和x 射线及其检测设备等) 提出了更高的要求，要求这些设 备的定位精度为线宽的i 3 1 5 ，即纳米级的精度。又如，在精密光学设备的 制造中，用金刚石车刀直接车削大型天文望远镜的抛物面反射镜时，要求加工出 几何精度高于1 1 0 波长的表面，即几何形状误差小于0 0 5 u m 。在生物、医学工 程的研究中，需要对细胞进行搬动、分离、组合，对d n a 分子进行拉伸并固定到 隔膜上，对蛋白质分子进行操作和生成薄膜结构，以及脑外科手术等。这些都需 要采用高精度的能作快速运动的微位移工作台。随着科学技术的飞速发展和工业 生产的不断进步，对微定位技术的要求越来越高，更多的其它领域也越来越迫切 地需要精密的微动系统，例如：光纤对接、微细加工、微型机器人装配等”“。 丌展精密、超精密微位移系统的研究有利于跟踪国际先进纳米技术的发展动 2 浙江大学坝士学位论义 念，缩小我们与发达国家同行业的技术差距，促进我国精密仪器仪表和精密、超 精密加工水平的提高，有利于推动我国大规模集成电路制造技术的发展，促进我 国纳米技术方面的研究， 1 2 微定位系统的构成及其分类 微定位系统用于实现微位移定位，具有行程小、定位精度高( 亚微米甚至纳 米级) ，易满足不同场合需要等特点包括微位移机构、检测装置和控制系统三个 部分，如图( 1 一1 ) 所示。 1 2 1 微定位机构 微位移机构( 微动工作台) 是 指行程小( 一般小于毫米级) 、灵 敏度高和精度高( 0 1 微米、0 0 1 微米、纳米级) 的机构，是微定位 系统的核心部分，它由微位移器 和导轨两部分组成”6 。2 ”。 1 2 2 微位移驱动器 图l 一1 微定位系统 微位移器按其产生微位移的机理可分为机械式和机电式两大类。 机械式微位移器有丝杆机构、齿轮一杠杆机构、弹性机构等。机械式微位移 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，不适用于纳米级定位精度的定 位。 机电式微位移器主要有电热式、电磁式、磁致伸缩和压电、电致伸缩微位移 器。电热式微位移器利用物体膨胀来实现微位移，由于微位移机构传动杆和周围 环境介质之间有热量交换，导致相邻零件产生热变形，因此对其位移精度有较大 影响，其应用范围受到限制。电磁式微位移器有磁致伸缩和电磁力9 动两种。磁 致伸缩微位移器是利用铁磁材料在磁场作用下产生微位移来实现微位移驱动，由 于磁致效应伴有发热现象，因此适用于对热源不敏感的定位场合。电磁力驱动微 位移器利用电磁原理，通过控制线圈中电流的大小来控制电磁力的大小，使具有 额江大学坝j 学位论文 弹性支承的工作台产生相应的精密微位移，由于其存在热源，且不适合具有动态 响应要求的场合，因此其应用受到较大限制”“。 压电陶瓷微位移器是利用电介质材料在外加电场作用下由感应极化而引起 应变，即逆压电效应或电致伸缩效应一机电耦合效应产生微位移。利用机电耦合 效应，可以实现很高的分辨率( 可达2 5 n m v ) ，而且机电耦合效应进行的速度 快。来不及与外界交换热量，可以近似的认为是绝热过程，因此不存在发热问题。 利用机电耦合效应制成的微位移器，只需要控制外加电压，就可以容易的实现 0 0 1 u g l 乃至更高的定位精度。压电陶瓷微位移器是一种新型的微位移器件，它 具有传动机构结构紧凑、无机械间隙和摩擦、可实现电压随动式位移控制、响应 速度快、有较大的力输出、功耗低、有超高的位移分辨率以及能实现纳米级的定 位精度等优点；另外，它是一种固体器件，易于与电源、位移传感器、微机等实 现闭环控制。因此压电陶瓷微位移器是微定位系统的理想微位移驱动元件。 1 2 3 微定位机构中的导轨 导轨主要是用来保证各运动部件的相对位置和相对运动精度以及承受载荷 ( 包括工作台、滑板部件等的质量) 。对导轨的基本要求是：导向精度要高，精 度保持性要好，运动灵活而平稳，结构简单，工艺性要好。微位移结构应用中的 导轨主要有滚动导轨、滑动导轨、气浮导轨、平行弹性导轨和柔性支承导轨等。 滑动导轨是由支承件和运动件直接接触的导轨。其优点是结构简单、制造容 易、接触刚度大。缺点是摩擦阻力大、磨损快、动、静摩擦系数差别大，低速时， 易产生爬行。滑动导轨难以达到亚微米级以上的精度，不适宜于纳米级微动平台。 滚动导轨是在两导轨面之间放入滚动体，使导轨运动处于滚动状态。由于滚 动摩擦阻力小，使工作台移动灵敏。但是，这种导轨是点或线接触，故抗振性差， 接触应力大，所以在设计这种导轨时，对导轨的直线性和滚动体的尺寸精度要求 高。导轨对赃物比较敏感，要很好的保护，其结构比滑动导轨复杂，制造困难， 成本高。由于同样存在静摩擦力的差别，其定位精度和分辨率虽较滑动导轨工作 台有较大提高，但仍难以稳定的达到亚微米级以上的高精度指标。因此也不适宜 用于制作微动平台。 气浮导轨是在两导轨问有气腔，当压力空气引入气腔后，工作台浮起，在两 导轨之间形成一层极薄的气膜，且气膜厚度基本上保持恒定不变。在规定的运动 速度和承载范围内，相配的导轨工作面不接触，形成完全的空气摩擦。气浮导轨 能达到亚纳米甚至纳米级的精度，但其结构一般较大，使用费用较高。 浙江大学碗士学位论文 弹性导轨利用导轨受力后的弹性变形来实现微位移，故存在弹性材料内部分 子之间的内摩擦，而且没有间隙，因此可以达到极高的分辨率，但其行程较小 1 2 7 3 8 , 3 9 ，9 0 1 。 柔性支承导轨，实际上是以柔性铰链代替杠杆机构或四杆机构等运动机构中 的不同铰链而形成的一种运动机构。柔性铰链属可逆弹性支承结构，它是在基体 上加工出一个强度较弱的部分，利用该部分的微小变形及材料的弹性回复力来实 现结构的变形及位移输出。由于柔性铰链无机械摩擦，仅存在弹性材料内部分子 间的内摩擦，无间隙，运动灵敏度高，因而柔性支承导轨可以达到极高的分辨率； 加上柔性支承导轨结构紧凑、体积很小、重量轻、不需润滑等优点，使得它在微 位移系统中得到了广泛的应用 2 7 , 3 2 , 3 4 , 3 5 3 9 , 3 9 , 9 c ”。 1 2 4 检测装置及控制系统 根据仪器的设计原则，检测系统的精度应占仪器总精度的l 3 i 1 1 0 ，同时 要满足一定的稳定性及抗干扰要求。在微位移系统中比较常用的检测仪器有电感 式位移传感器、电容式位移传感器、激光干涉仪、光纤位移传感器。 电感式位移传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现微测量的一种装置。 电感式传感器的核一山部分是可变自感或可交互感，在被测量转换成线圈自感或互 感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的 主要特征是具有线圈绕组。电感式位移传感器具有以下优点：结构简单：输出功 率大；输出阻抗小；抗干扰能力强；对工作环境要求不高；分辨率可达o ，0 1 u m ： 稳定性好。 电容式位移传感器测量原理的基础是由理想平板电容构成。两个平板电极是 由传感器电极和相对应的被测体组成。当恒定的交流加在传感器电容上，传感器 产生的交流电压与电容电极之间的距离成正比。交流电压经检波器，与个可设 置的补偿电压叠加，经放太，作为模拟信号输出。电容式位移传感器的特点是： 工作时无磨损，免维修：高的零点稳定性和精度：几乎与温度无关。电容式位移 传感器的分辨率极高，可达0 1 n m ，但是其行程较小，输出特性为非线性，而且 其价格较昂贵”7 。 微机技术的发展及应用为微位移定位机构实现高精度定位提供了有力的基 础，微位移定位机构的伺服控制系统普遗采用计算机控制系统，除控制定位精度 外还配有速度、加速度控制，并采用计算机对系统定位误差进行监测和修正，使 微位移定位机构达到高的动态和静态精度。微机控制系统不仅具有快速，准确和 浙江大学坝士学位论文 灵活的优点，而且便于实现微位移定位机构和整个设备的统一控制。控制系统在 微位移系统中占有及其重要的地位，纵观用于微位移系统的一些驱动器，如压电 驱动器、电致伸缩驱动器等具有非线性、迟滞、蠕变等不良特性。如果没有控制 系统参与作用，仅对驱动器进行开环控制，则微位移系统不可能达到很高的精度 3 9 ，4 0 ，4 1 ，4 3 ，5 4 ，5 7 。 1 2 5 微定位系统的分类 现有的微定位系统按其构成原理主要可分为一下几类： 1 基于滑动导轨，机械式或压电陶瓷微位移器构成的微定位系统 该系统的基本工作原理是：采用滑动导轨支承，实现运动导向，由力矩电机、 步进电机或伺服电机驱动，经过机械式微位移器传动，把电机输出的旋运动转变 为直线运动，驱动运动件实现微位移。柔性铰链为运动机构的基本组成单元及弹 性支承，由压电陶瓷微位移器直接驱动，使柔性铰链产生弯曲弹性变形，并带动 整个运动机构产生运动，从而实现微位移定位。该微定位机构能实现快速、大行 程定位，但其定位分辨率和定位精度较低。因此，它适宜用于粗、精两级定位机 构中的粗动微定位 2 7 , 3 9 , 9 0 ) 。 2 基于滚动导轨，机械式或压电陶瓷微位移器构成的微定位系统 该系统的基本工作原理是：采用滚动导轨支承，实现运动导向，由力矩电机、 步进电机或伺服电机驱动，经过机械式微位移器传动，把电机输出的旋转运动变 为直线运动，驱动运动件实现微位移。该微定位系统运动灵活、轻便，移动精度 较滑动导轨定位系统要高，并具有行程大、运动速度快、工艺性好、安装调整比 较方便等特点；但滚动导轨的形式直接制约着定位系统的定位精度，且其结构复 杂、制造困难、抗振性差、稳定性差、接触刚度低，因此不适宜于纳米级微定位 系统 2 7 , 3 9 , 9 0 】。 3 基于弹性导轨，机械式、电磁或压电陶瓷微位移器构成的微定位系统 弹性导轨是微定位系统中广泛采用的导轨形式。基于弹性导轨，机械式、电 磁或压电陶瓷微位移器构成的微定位系统己广泛应用于精密机械和精密仪器等 设各中。其基本工作原理是：采用平行片簧或碗簧为弹性导轨支承，由机械式、 电磁或压电陶瓷微位移器直接驱动，通过平行片簧或碗簧的弯曲变形实现微位移 定位。该微定位系统具有较高的位移分辨率和定位精度，结构简单，但加工和装 配困难、有失稳现象、抗振性差，结构尺寸大，其加工和装配误差将严重影响纳 米定位系统的定位精度 2 7 , 3 9 , 9 0 】。 浙江人学坝一卜学位论义 4 基于气浮导轨，伺服电机或直线电机构成的微定位系统 采用气浮导轨，伺服电机或直线电机构成的微定位系统，因导轨之间不接触、 无摩擦、发热小，且没有振动及爬行现象，因此其运动精度较高、行程大并可长 期保持精度，但是气浮导轨需要专用的供气装置，并要求气体质量高，而且由它 构成的定位系统刚度小、承载能力低、体积大、附加设备多、安装不便、成本高， 因此其应用受到限制【2 7 , 3 9 , 9 0 。 5 基于柔性铰链，压电陶瓷微位移器的微定位系统 该系统的基本工作原理是：采用柔性铰链为运动机构的基本组成单元及弹性 支承，由压电陶瓷微位移器直接驱动，使柔性铰链产生弯曲弹性变形，并带动整 个运动机构产生运动，从而实现微位移定位。柔性铰链是一种新型的弹性导轨形 式，它体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高、加工简单，尤其适合微定 位技术领域，特别是具有纳米级定位精度的超微定位技术领域。近年来基于柔性 铰链，压电陶瓷微位移器的微定位系统发展较为迅速 6 3 ，6 4 ，6 8 。 1 3 基于柔性铰链压电陶瓷驱动的微定位系统研究现状 柔性铰链是一种薪型的弹性导轨形式，它体积小、无机械摩擦、无间隙、运 动灵敏度高、加工简单，尤其适合微定位技术领域，特别是具有纳米级定位精度 的超微定位技术领域。它一出现就被广泛应用于航空航天、微电子工业等领域。 压电、电致伸缩微位移器是一种新型的微位移器件。压电、电致伸缩微位移 器利用的是陶瓷晶体的逆压电效应及电致伸缩效应。压电效应是由p c u r r i e 和 j c u r r j e 兄弟1 8 8 0 年在研究a 石英晶体时首先发现的，它反映压电晶体的弹性 和介电性的相互耦合作用。压电体受到外机械力作用而发生电极化，并导致压电 体两端表面内出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外机械力成正比，这种现 象成为正压电效应。逆压电效应是指压电体受到外电场作用而发生形变，其变形 量与外加电场成正比。压电体的电致伸缩效应是指压电体在外电场的作用下，由 于感应极化而引起应变，应变的大小和电场的平方成正比。上述效应可用公式表 达如下： j = d e + m e 2( 卜1 ) 式中：d e ：逆压电效应； 纪2 ：电致伸缩效应：d ：压电系数( m v ) ； m ：电致伸缩系数；电场强度( v m ) ；s ：应变。 压电微位移器提供了一种较为简便的方式将输入的驱动电压转换为0 i n m 到几十微米尺度的运动，而且其结构紧凑、体积小、位移分辨率高、易于控制等 浙江大学硕士学位论文 优点，同时它没有发热问题，对趣微定位机构无因热量而引起的误差，是较为理 想的微位移器件。在精密机械、精密仪器及纳米科学和技术领域得到广泛应用。 近年来基于柔性铰链为弹性导轨，压电陶瓷、电致伸缩微位移驱动器驱动的 超微定位技术发展较为迅速，相继出现了采用该方法的超微定位机构。各国学者 对以压电陶瓷或电致伸缩陶瓷驱动、以柔性铰链支承为导轨的微动台及其控制方 法进行了大量研究。 1 3 i 微位移机构的研究现状 美国国家标准局学者e s c i r e 和e c t e a g u e 在六十年代初首先采用咀柔性 铰链为弹性支承，以压电陶瓷微位移器驱动的原理研制成功的一维微动工作台， 并应用于航天领域。如图1 _ 2 所示，它采用杠杆原理与柔性铰链结合的整体式结 构，利用叠层式压电晶体作为驱动元件。该微动工作台的尺寸为：1 0 0 m m l o o m m 2 0 m m ，微位移分辨率为i n m ，行程范围为o 5 0 u m 。由于采用了柔性铰链，故无 爬行、无间隙、无轴承噪音、不需要润滑、位移分辨率高，在低频下运行没有内 热产生，且结构紧凑，适用于各种超精密加工环境。”3 。美国学者l jl a c o m b 也采用图1 - 2 所示的微动机构，研制了在液氦环境中使用的扫描显微微动工作 台，在4 2 k 低温环境中获得较高的扫描精度。 图1 - 2 单自由度柔性铰链微动工作台 1 9 8 8 年，臼本o m r o n 电子公司的h g o t o 研制成功一维垂直微动机构用于l s t 制造中曝光掩膜对准系统。如图i - 3 所示，叠层压电陶瓷作为驱动元件，整个微 动机构可以简化为六连杆结构，在压电陶瓷的直接b 动下，通过六连杆受力变形 来实现垂直方向的微位移，该微动机构行程为_ + 3 u m ，定位分辨率3 n m ，响应时 日i5 0 m s 。 浙江大学删士学位论文 荚国国家标准与技术研究院( n i s t ) 的j f u 教授研制了二维x y 微动工作 台，用于s t m 中实现了样品大范围二维扫描，如图1 - 4 。该微动工作台x 、y 方 向采用相同的运动机构形式，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，并拉动运动运动部分实现微动，运动部分可简化为平行四杆结构，四杆 结构由柔性铰链支承，通过柔性铰链的弯曲变形实现x 、y 方向的微动。该机构 最大行程5 0 0 u m ，分辨率1 n m 1 。 图】一5x 、y 弹性微动工作台 日本日立制作所研制了x y o 三自由度微动工作台，主要用于投影光刻 机和电子束曝光机。如图1 6 所示，三自由度微动工作台被固定在粗动台上， 9 浙江大学硕士学位论文 粗动台行程1 2 0 m m x1 2 0 r a m ，速度为1 0 0 m s ，定位糈厦5 u r n ：微动台x 、y 行 程8 u m ，定位精度为士o 0 5 u m ，0 5 5 x 1 0 r a d 。图1 6 ( b ) 为微动台的原理示 意图，整个微动工作台由四个两端有柔性铰链杆支承，有三个筒状压电晶体驱动， 压电器件安装在两端带有柔性铰链的支架上，支架分别固定在粗动台和微动台 上，通过控制三个压电器件上的外加电压可以获得厶、缈：a y ，+ _ a y 2 、 臼= 垒毕三个微动自由度。 图1 6 三自由度徽动工作台 日本学者所研制的采用柔性铰链为弹性支承，压电、电致伸缩微位移驱动的 三维超微定位工作台成功地用于原子力学显微镜中，实现了对半导体集成电路微 观表面形貌的测量。如图l 一7 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；2 向 微动机构也采用同样方法制成，以实现样品的进给定位。x y 方向和z 向微动 结构通过粘结成为整体。该工作台x 、y 、z 方向的最大行程分别为1 2 u m 、o u m 、 5 u m ，定位精度为0 0 1 u m 。 。o x p ) 圈1 7 拼接式三维微动工作台 1 0 浙江大学硕_ ：学位论文 国内重庆大学也研制了三维拼接式超微定位机构用于光纤自动对准系统，实 现了单模光纤精密高效对接耦合。 图1 8 是天津大学研制的三维一体微定位工作台。该工作台是用线切割机床 在整块金属材料上切割而成，两组柔性平行弹性导轨分别组成x 向、y 向的运动 机构。工作台内有由柔性铰链连接的柔性八杆对称联动结构作为z 向的运动机 械。z 向运动对x 、y 向没有影响，只使工作台沿z 向运动；y 向运动体的运动可 带动x 向运动体和工作台实现y 向运动；x 向运动体的运动可带动工作台实现x 向运动，对y 向运动体没有影响。因此，工作台在x 、y 、z 向压电陶瓷驱动器的 驱动下，可完成三维扫描运动”“。 电陶瓷微位移器的控制和应用带来很 大困难。为减小这种非线性特性所造 图】一9 压电陶瓷位移器的非线性特性 浙江大学碗士学位论文 成的不良影响，更好的发挥压电陶瓷元件的性能了来提高压电陶瓷驱动的微位移 机构的定位精度和动态响应，国内外许多科研机构和专家学者对压电陶瓷的迟滞 非线性形成机理及控制方法等方面开展了相关研究。 对压电陶瓷器件迟滞非线性形成机理的研究一般都是从压电材料的极化机 理开始的，为能够对非线性曲线给出比较合理的解释，大多数研究都引入材料内 部的摩擦或粘滞的概念，不再将这种压电材料的极化过程看作是连续的。 h w a n g s ，c 等人通过对压电元件压应力非线性曲线的详细分析后提出这种铁电体 的极化是一个从软化到硬化的交替过程，其非线性行为可以由许多非线性弹簧和 具有摩擦力的滑块代替，以上的变换通过在c 5 8 0 0 ( 硬质) 和c 5 5 0 0 ( 软质) 压电元 件上的相关测试得到了很好的验证。h o n g t i a n 等人将k a h l 固体摩擦模型进行了 扩展，用来描述压电元件的非线性行为。为了对这种非线性水平进行谱分析，他们 还同时提出了“弱相似性”的观点。y o o i nk 等人将压电元件非线性曲线的形 成分为畴核的形成、生长、合并和消失4 个阶段，同时通过对这种非线性的分析 后认为组成压电元件的电介质具有“粘性”，正是这种粘性导致了非线性回环的 形成。g u y o m a rd 和a u r e l l en e r a l 也认为这种非线性同电介质的粘性有关，但 他们认为非线性的形成是由于“粘性的增加”造成的。这种认为电介质具有粘性 的观点同k a h l 固体摩擦模型有很大的相似之处。 压电陶瓷微位移器的驱动电源从原理上可以分为电压驱动和电荷驱动。对于 外加控制电压来说，每片陶瓷就相当于一只平行板电容器，因此，压电陶瓷微位 移器就相当于一个容性元件。压电陶瓷微位移器在外加电场作用下产生位移输 出，应该具有较高的响应速度，但由于压电陶瓷微位移器在电学上等效为一个电 容，因此微位移器输出速度不仅和自身等效电容值的大小，而且与所采用的驱动 电源的品质有密切关系，驱动电源的驱动能力和响应特性直接影响微位移器的动 态特性。电压驱动型电源主要有两种，一种是基于直流变换器原理的开关式驱动 电源，其优点是电源的功率损耗小、效率高、体积小，但电源输出纹波较大、频 晌范围也较窄。另一种是直流放大式电源，其电源频响比较宽。从发展趋势看， 直流放大式电源电压控制方法是比较有前途的一种控制方法。 n e w c o m b 和f l i n n 发现采用电荷驱动方式代替简单的电压驱动方式，可以使 压电陶瓷微位移器的线性得到明显的改善。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微位移器对位移的灵敏度。后来，日本学者通过在 压电陶瓷微位移器上串联一个调节电容，降低了压电陶瓷微位移器自身电荷相对 于电容变化的灵敏度，并提高外加电压的方法，可以使压电陶瓷微位移器的迟滞 非线性减小5 倍左右，并提高了动态响应，这种方法的缺点是需要很高的高压直 浙江大学硕士学位论文 流电源，而且电源电压越高，效果越好。 电压驱动开环控制主要是通过软件技术控制压电陶微位移器的驱动电压，从 而实现压电陶瓷执行器的位移控制。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压电陶瓷微位移器的数学模型。s e u n g b a ej u n g 和s e u n g w o o k i m 提出了一种基于参考模型的开环控制方法( 如图1 1 0 所示) 。 图1 1 0 基于参考模型的开环控制框图 用于改善s t m 中压电陶瓷微位移器的扫描精度。袁智敏等“1 通过曲线拟合的方 法拟合出压电陶瓷微位移器的电压输入和位移输出的实际平均曲线，并作为其数 学模型，然后依据此模型设计控制器，从而对压电陶瓷执行器进行位移控制。在对 压电陶瓷微位移器的电压输入和位移输出曲线拟合时，可以采用代数多项式、三 角函数、幂指数函数等，另外也可以对曲线分段拟合以提高拟舍曲线的准确性。 j u n g 利用p r e i s a c h 模型来补偿原子力显微镜z 轴方向的压电陶瓷执行器的非线 性和迟滞，从而使扫描图像的质量得到了明显的改善。g ep i n g “等用p r e i s a c h 模型描述压电陶瓷执行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。 压电驱动闭环控制是通过位移传感器检测出压电陶瓷微位移器的实际位移， 并与给定位移进行比较，得n - - 者之间的偏差( 误差) ，该偏差经控制器运算后得 到压电陶瓷微位移器的驱动电压，从而实现压电陶瓷执行器的位移控制。压电陶 瓷微位移器的控制算法上，除了传统的p i d 控制外，还出现了许多新的算法，如前 馈控制、模糊控制、自适应控制、自学习控制、神经网络控制，以及将某两种方 法结合起来的复合控制等。 采用p i d 方法对由压电陶瓷微位移器驱动的超精密工作台进行控制，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。r i c h t e r 等采用p i 控制， 使压电陶瓷微位移器阶跃响应的上升时间达到3 4 m s 。j u n g 等采用前馈控制法， 使压电陶瓷执行器的定位精度得到了很大的提高。傅星等在扫描隧道显微镜探针 高度的调节中，将模糊控制用于压电陶瓷执行器的控制，从两使其定位精度大大 提高”。“3 。朱日宏等将模型参考自适应控制用于压电陶瓷执行器的控制中，使其 线性度达到0 1 。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 f 调节器的参数学习控制，获得了较为满意的定位效果。l uz h a oq u a n 等将单层 神经网络控制同传统的p i d 控制相结合，构成了一个具有自适应和自学习特点的 浙江大学碗：k 学位论文 神经网络控制系统，使压电陶瓷执行器取得了很高的定位精度。y o k a z a k i 提出 一种带状态观测器的状态反馈控制器。该方法把控制对象简化为质量一弹簧一阻 尼系统，由于控制系统中没有考虑迟滞非线性，迟滞将作为一个没有建模的相位 滞后环节，在相位裕度不足的情况时，可能会引起系统不稳定；p i n g g e 和m u s a j o u a n e h 提出采用反馈结舍前馈的控制方法，其控制框图如图( i - i 1 ) 所示： 图卜1 1 带前馈的闭环p i d 控制结构框图 在前馈环节中利用p r e i s a c h 模型对压电陶瓷微位移器非线性建模，并进行线性 化处理。 1 4 本文的研究内容 本论文根据微位移系统的要求，经过对微位移系统的各个组成部分进行综合 比较和研究，并借鉴国内外学者的研究成果，选择电子科技集团2 6 所生产的w t d s 系列电致伸缩微位移器和w t y d 压电陶瓷微位移器，采用以柔性铰链为弹性支承 的平行四边形机构作为运动导轨设计微动工作台。选用中原量仪股份有限公司生 产的d g s - 6 c 型数显电感测微仪作为检测元件，驱动电源用中国电子科技集团公 司第二十六研究所研制的d w y 一3 型电致伸缩( 压电) 陶瓷微位移器驱动电源， 在此基础上构建一个微位移系统，并对压电陶瓷微位移系统的控制方法避行研 究。本文研究的内容主要有： 1 推导和介绍柔性铰链及微动工作台的设计公式，在此基础上设计了一个二维 微动平台；用a n s y s 有限元软件对微动平台进行静态分析、模态分析和结构 优化设计；对工作台进行实验研究。 2 对压电、电致伸缩陶瓷微位移器的驱动机理进行理论分析，分析和研究了陶 瓷微位移器的特性；并对所用的w t y d 陶瓷微位移器进行实验研究其蠕变、 非线性和电压一位移等特性。 3 理论分析了压电陶瓷的极化机制和迟滞机理，介绍和比较了几种压电陶瓷微 位移器迟滞非线性的建模方法。推导了压电陶瓷微位移器迟滞非线性的 浙江大学坝士学位论文 p r e is a c h 模型，并用实验方法对压电陶瓷微位移器迟滞非线性建立p r e i s a c h 模型。 4 建立压电陶瓷微位移系统，并对压电陶瓷微位移系统的控制方法进行研究。 介绍和比较开环控制、p i d 反馈控制、基于模型前馈p i d 反馈控制、模糊控 制和自适应逆控制等控制方法，对所介绍的控制方法进行仿真和实验研究。 浙江大学硕士学位论文 2 1 柔性铰链设计 第2 章微动工作台的设计 6 0 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，而且对其尺寸和体积提出了微型化的要求。人们 在经过对各种类型的弹性支承实验探索后，才逐步开发出体积小、无机械摩擦、 无间隙的柔性铰链。随后，柔性铰链立即被广泛地用于陀螺仪、加速度计、精密 天平、导弹控制喷嘴形波导管