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第 卷 第 期 年 修订日期 基金项目 国家 文章编号 7 J 1 3 D 7 1 K 2D 7 1 1 2 3 3 3 5 J 2 G J 1 2 2 2 8F 3 J N 5 J 1 3P GJ 1 3 D 3 1 M 2 J P G7 1 5 2P 3 1 I 2 G 5 G1 2 3 7 D 3 3 LJ 3 3 P 2 K 2 7 3 2 8 G 2 1 2 1 K 2J 3 3 1 D 2 G 2J 1 3J 3 3 0 Z 1 K 2 J 1 3 5 2P GG 5 GL 1 2 B D 2 M J 3 D 2 3 G 2J 3 3 1 3 J 2 2 G 2 3 3 2 1 1 3 1 8 G 5 G 1 2 3 7 D 3 7 2 12 3 2 1 2 5 1 2 3 G 2 7 3 2 7 3 3 L 2 2 N I P G G D 2 3J 2 D 1 2 G 2 3 3 3 L G 22 2 L L 2 3 1 J 3 D 2 G 2J 1 3 5 2 8 G 2 L 2 2 L 3 1 P 1 L 2 2 N I 1 2 3 J N 2 3 3 1 3 7 G 2J 1 3 5 2 G 2 L D V V M K 20 C 3 1 3 7 7 5 3 1 G J 2 J 7 3 M 2 G 2J 1 3 5 2 8 G 22 H 2 1 J 2 7 1 2 D 7 G 3 P G G 2 1 K 2 7 1 5 2 JJ G 2 2 7 5 J 2 7 2 G J 1 3 D 7 1 K 2 1 2 3 3 3 5 U 系统建模与分析 8 宏动系统建模 系统的宏动部分采用永磁交流同步直 线电机 与旋转电机加减速结构相比 它是 无接触直接驱动 即 零传动 取消了从电 机到工作台的中间传动环节 把工作台进 给传动链的长度缩短为零 Y3 式中 Y为应变 A 为弹性常数 为应 力 3为压电常数 为电场强度 利用压电陶瓷的逆压电效应可产生微 位移 压电陶瓷在电压控制下可获得纳米 级分辨率 其频率响应高 7 3 1 K 2 J 1 3 1 3 N 3 设 为传动部件的刚度 为平行板 移动副的刚度 7为运动部分的质量 为 系统的阻尼系数 当输入位移为A时 驱 动器的输出位移为5 则质量 弹簧 阻尼 二阶系统的力平衡方程为 75 iY 5Y Y 5X A 系统的传递函数为 9 X A 简写为 K 20 C 3 1 3 7 7 2 1 本控制系统中模糊推理机的结构如图 T所示 该模糊自调整0 C 控制器的表达 形式为 C L 8 8 8 1 2 3 5 3 1 3 7 7 2 1 其中 分别为系统误差 O0 O O3分别 为控制器比例 积分和微分系数 0 为 模糊量化因子 4 4 分别为比例和积分 修正系数推力器 0 为修正量 O U 系列压电陶瓷 其电源为哈工大博实精 密测控公司研制的b 0 6系列压电陶瓷电 源 采 用 德 国 b4 C 4 9b C 9 公 司 的 C 0 所规定的公式对 次测量数据 J 1 3 M 2 J 进行计算 得到各点重复定位精度如表 所示 并对各点位姿稳定时间进行测试 重 复测量 次后取平均值 各点宏动系统进 入l J稳定域的稳定时间和宏微系统 进入l J稳定域的稳定时间如表 所示 表 位姿重复性 N 8 2 D 7 3 L 1 2 2 5 3 3 1 2 3 负载 4 4 4 4 J 1 3 M 2 J 表 位姿稳定时间 N 8 2 D 7 3 L 2 7 5 J 2 测试点 4 4 4 4 5 2J D 7 3 1 P G 2 1 D 1 N 3 3 J 2 3 1 F 84 G 8 F 99 9 Q 4 4 0 d A H8 4 H 2 1 J 2 7 D M3 J 1 3 J 1 3J D 7 3 1K N 1 3 3 1 3 7 F 84 G 2 V 3 D 3 1D 5 G 2 D 7 7 3 3 5 7 L 7 2 1 J 7 2 J 2 3 A 8 G HQ G H 2 P TT 第 期 节德刚等 一种宏微双重驱动精密定位机构的建模与控制 8 E S b C d b d Q S 8 b M N 1 3 3 L 3 1 2 3 1 3 73 LJ 1 3 J 1 3J D 7 3 1 M 2 J A 8 G C 微机器人及其控制系统 A 8机器人 8 Fb4 9aA 9 EA 8 Q 1 3 J 1 3J D 7 3 1 3 1 3 7 M 2 J 1 K 2 N M 7 2 1 A 8C 8 7 2 J 2 3 1 3 7 G 2 3 1 M 2 H 2 1 J 2 A 8Q G H 67 G 2 2 S 4 C C Fb Cd F d8 2 2 2 K 2 7 3 J 2 3 1 3 73 L 1 2 1 K 2J 3 3 1 9 S d A 82 3 G H 8 刘伟8直线电机在微电子领域中的应用 A 8光学 精密工程 1 M0 1 2 8 F G 2 2 作者简介 节德刚 T UW 男 黑龙江人 博士研究生 主要研究方向为机器人智能控制 精密定位技术 刘延杰 T W 男 黑龙江人 讲师 博士 主要研究方向为C F封装和Q4Q S加工技术 孙立宁 W 男 黑龙江人 教授 博士生导师 主要研究方向为微操作机器人 微驱动技术 机器人学 现 任哈尔滨工业大学机器人研究所所长 哈尔滨工业大学机电工程学院副院长 国家U 计划机器人主题 Q4Q S专题专家组组长 孙绍云 T W 女 黑龙江人 博士研究生 主要研究方向为宏 微机器人 蔡鹤皋 W 男 教授 博士生导师 中国工程院院士 主要研究方向为机器人技术 UT 光学 精密工程 第 卷 一种宏微双重驱动精密定位机构的建模与控制一种宏微双重驱动精密定位机构的建模与控制 作者 节德刚 刘延杰 孙立宁 孙绍云 蔡鹤皋 JIE De gang LIU Yan jie SUN Li ning SUN Shao yun CAI He gao 作者单位 哈尔滨工业大学 机器人研究所 黑龙江 哈尔滨 150001 刊名 光学精密工程 英文刊名 OPTICS AND PRECISION ENGINEERING 年 卷 期 2005 13 2 被引用次数 29次 参考文献 11条 参考文献 11条 1 SANGJOO K WAN K C YOUNGIL Y On the coarse fine dual stage manipulators with perturbation compensator 2001 2 CANNON D W MAGEE D P BOOK W J Experimental study on micro macro manipulator vibration control 1996 3 KWON S J CHUNG W K Robust and time optimal control strategy for coarse fine dual stage manipulators 2000 4 HEUI J P DONG S L JONG H P Ultra precision positioning system for servo motor piezo actuator using the dual loop and digital filter implementation 2001 5 YOSHIKAWA T HARADA K MATS A Hybrid position force control of macro micro manipulator system 1996 04 6 陈启军 王月娟 激光作业的宏 微机器人及其控制系统 期刊论文 机器人 1999 03 7 TZOU H S Design of a piezoelectric exciter actuator for micro displacement control theory and experiment 1991 02 8 节德刚 孙立宁 压电陶瓷微位移系统的模糊PID控制方法研究 期刊论文 哈尔滨工业大学学报 2005 02 9 SEIICHI K CARL K Recent development in control of direct drive motors at NSK 1997 10 刘伟 直线电机在微电子领域中的应用 期刊论文 光学精密工程 2001 04 11 郭庆鼎 王成元 直线交流伺服系统的精密控制技术 2000 相似文献 4条 相似文献 4条 1 期刊论文 于保军 张玮 王红东 杨志刚 YU Bao jun ZHANG Wei WANG Hong dong YANG Zhi gang 基于显微 视觉的宏 微双重驱动微动台的自动标定 吉林大学学报 工学版 2008 38 6 提出了基于压电技术的微操作系统的自动标定方法 采用混合式步进电机直接驱动的宏动平台 实现系统大行程宏动定位 安装在宏动平台上的 压电陶瓷驱动的微动平台和精密光栅 实现亚微米级的分辨率和定位精度 通过以上两部分实现定位机构的全闭环反馈控制 采用显微视觉反馈获取 微动台操作器在图像中的位置信息进行标定 实验结果表明 系统的动态和稳定性能良好 自动标定运算速度快 运行速度达到II frame s 实现了对 系统的精确标定 标定精度达到0 1 m 2 期刊论文 于保军 杨志刚 齐会良 程光明 Yu Baojun Yang Zhigang Qi Huiliang Cheng Guangming 基于显 微视觉的宏 微双驱动微动台系统 农业机械学报2008 39 2 提出了基于PZT的宏 微双重驱动精密定位机构 采用混合式步进电动机直接驱动宏动平台 实现系统大行程微米级精度定位 安装在宏动平台上 的压电陶瓷驱动微动平台 实现纳米级的分辨率和定位精度 以高频响动态补偿系统的定位误差 采用显微视觉反馈控制微动台的移动和定位 实现定 位机构的全闭环反馈控制 同时提出了带运动规划和估算的运动控制策略 提高了系统的运行速度 实验研究表明 系统的动态和稳定性能良好 该微 动台的最大行程80 mm 定位精度1 m 3 期刊论文 李伟鹏 黄海 LI Wei peng HUANG Hai 基于Hexapod的精密跟瞄平台研究 宇航学报2010 31 3 针对精密光学设备的空间应用 设计了基于并联机构的空间高稳定精密跟瞄系统 利用所设计的宏 微双重驱动复合作动器和精密铰接元件 研制 了精密跟瞄Hexapod平台原理样机 考虑到精密跟瞄系统的特点 开发了包括宏动控制系统 微动控制系统和检测系统在内的实验测试系统 并利用实 验初步测试了Hexapod平台原理样机关键性能 由实验结果可知 平台原理样机的转动范围超过10 最高开环转动速度大于5 deg s 经压电微动部分 补偿后的平台静态定位误差小于5 rad 通过主动控制使扰动振幅衰减至噪声水平 可用于驱动有效载荷以较高的速度在较大范围内搜索目标并具 有较好的静态定位精度和稳定性 4 学位论文 张明辉 压电马达驱动器与控制方法研究 2004 压电马达能够实现厘米级的行程 纳米级的分辨率 而且体积小 输出力大 速度可控 因此十分适合在精密定位领域中应用 同电磁式马达相 比较 压电马达具有更高的能量密度 无电磁干扰 无源自锁 可在真空中应用等优点 在一些有特殊要求的领域压电马达更加具有竞争力 随着商 品化的压电马达不断推出 压电马达开始取代电磁马达应用于高精度驱动和定位研究项目中 该课题来源于国家 863 计划项目 6自由度纳米级宏 微 双重驱动微操作机器人 该文首先分析驻波压电马达运行机理和驱动方法 建立驱动过程的模型 并给出了压电马达的等效电路 为驱动器设计提供 了依据 在此基础上设计了针对驻波压电马达的驱动器 RI PZMD驱动器 该驱动器由绝对值 过零检测电路 逻辑控制电路 谐振驱动电路 方向开 关和不良状态监测电路几部分组成 驱动器基于谐振原理 采用CPLD设计作为电路的逻辑控制器 利用两个背靠背高压浮地驱动MOSFET实现方向开关 驱动器输出的正弦电压信号频率准确 幅值连续可调 建立了压电马达实验测试系统 通过该系统测定了RI PZMD驱动器的性能以及在该驱动器驱动 下以色列Nanomotion公司HR 2系列压电马达的性能 实验结果表明RI PZMD驱动器满足了设计要求而且马达运行十分良好 最后 利用上述实验系统进 行了压电马达位置控制方法的研究 采用模糊自校正PID控制方法有效的抑制了压电马达死区特性对系统的不良影响 取得较好的位置控制效果 通过 对大量的实验结果的对比和分析 验证了压电马达作为高精度定位系统驱动元件所特有的优势 该文在对压电马达驱动和控制方法的研究中总结了一 些可以借鉴的经验 为压电马达在精密定位领域应用打下了良好的基础 引证文献 28条 引证文献 28条 1 田学光 田兴志 刘轩 刘伟 大型精密转台高精度角度微驱动装置的研制 期刊论文 光学精密工程 2010 5 2 徐从裕 余晓芬 程伶俐 圆筒型永磁同步直线电机大行程无过冲纳米定位驱动 期刊论文 应用科学学报 2010 1 3 张典范 高峰 染色体切割设备的并联宏动平台运动学传递性能 期刊论文 光学精密工程 2009 8 4 林海波 杨国哲 赵文辉 三维纳米定位微动平台的设计与分析 期刊论文 制造技术与机床 2009 7 5 邵忠喜 张庆春 白清顺 富宏亚 高精度大口径光栅拼接装置的控制算法 期刊论文 光学精密工程 2009 1 6 于保军 张玮 王红东 杨志刚 基于显微视觉的宏 微双重驱动微动台的自动标定 期刊论文 吉林大学学报 工学版 2008 6 7 李长峰 孙立宁 曲东升 刘彦武 大行程高精度宏微机器人系统的研究 期刊论文 制造业自动化 2008 8 8 于保军 杨志刚 周广禄 基于TMS320DM642和S3C2410的细胞注射装置控制系统 期刊论文 光学精密工程 2008 8 9 李娟 刘延杰 孙立宁 马立 新型2 DOF高加速定位平台的动态性能 期刊论文 光学精密工程 2008 5 10 于保军 杨志刚 齐会良 程光明 基于显微视觉的宏 微双驱动微动台系统 期刊论文 农业机械学报 2008 2 11 李宁宁 赵铁石 边辉 双重驱动四自由度并联机构型综合 期刊论文 机械设计与研究 2008 1 12 李黎 刘向东 侯朝桢 王伟 混合Preisach迟滞模型及其性质研究 期刊论文 光学精密工程 2008 2 13 卢礼华 白清顺 梁迎春 纳米定位技术的发展现状 期刊论文 工具技术 2007 11 14 肖献强 朱家诚 李欣欣 压电型宏 微双驱动精密定位机构的建模与控制 期刊论文 农业机械学报 2007 11 15 刘强 张从鹏 直线电机驱动的H型气浮导轨运动平台 期刊论文 光学精密工程 2007 10 16 陈伟 钟健 基于精度成本控制的精密传输机器人系统可靠度优化配置方法 期刊论文 光学精密工程 2007 8 17 节德刚 刘延杰 孙立宁 陈智超 蔡鹤皋 基于双光栅尺的高速高精度位移测量方法 期刊论文 光学精密工 程 2007

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