基于压电陶瓷驱动的微操作手研究现状

微操作手是微操作机器人的重要组成部分 ,首先介绍了国内外研制的几种典型微操作手。在此基础上 ,对于微操作手的关键技术 ,从机构、驱动、传感、检测几个方面进行了论述 ,在机构上 ,介绍了微位移定位机构的特点 ;在驱动方式上 ,论述了压电陶瓷的驱动方法 ;在微位移检测上 ,介绍了几种纳米微位移检测手段。最后 ,阐述了微操作手的发展趋势 :微型化、集成化、智能化 ,达到纳米级或更高的定位精度     

小型微/纳米级三坐标测量机的研制

介绍一套低成本小型三维坐标测量机的研制过程，作为微/纳米级超精密测量设备，整体机台结构采用花岗岩材料；X／Y轴的移动平台利用压电材料摩擦驱动与挠性变形原理，长短两行程可达25mm范围及5nm的微位移，藉自行研发的衍射干涉激光尺，位置回馈测量系统可具有0．025nm的分辨率；测量探头在一般DVD光读取头的自动聚焦原理基础上改装，最佳分辨率可达2．5nm，该雏形机适于测量微机电组件、微型器件及膜厚等。     

基于软件误差修正的通用直线工作台的纳米级定位控制

提出了一种用于通用压电陶瓷线性马达(PLCM)驱动平台的纳米级定位数控方案,该平台上配有栅距20μm的线性光栅.传统的信号细分多数基于硬件电路,无法对纳米级误差进行灵活的调整.本项研究开发了基于Labview的数字控制系统,该系统具有失真波形的调整、1/4栅距脉冲计数、基于Lissajous圆环的波形细分、后传神经网络和PID控制以及平台的位置反馈控制等特征.介绍了定位控制的3个步骤,即用于长行程连续移动控制的AC模式,用于低速短行程的开关模式控制马达驱动,以及以压电激励方式使马达工作的DC模式,这些步骤能够实现几纳米的精确定位.在每种运动模式下采用了专门的信号处理技术.实验结果表明,此方法可以很容易地应用于线性平台,取得小于31 nm的定位精度,9 mm行程的标准误差小于30 nm.相比于原来移动台±1μm的重复性和±1μm/25 mm的精度,该数字控制系统能够将定位精度提高一个数量级.     

纳米定位机构及其控制系统的研究

在纳米科学与技术领域 ,纳米定位技术是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。本文设计了一种新颖的以柔性铰链为弹性导轨、压电陶瓷为驱动器的纳米定位机构 ,给出了其动力学模型 ,结合纳米传感器微位移检测装置和微机控制系统设计并研制了数字闭环控制的纳米定位系统。实验表明 :该纳米定位系统行程 10 μm ,定位精度优于± 0 .0 3μm ,定位分辨力 3nm ,最大定位时间 40ms。     

基于相控外差干涉技术的纳米定位方法的研究

针对工业领域和计量界对定位精度要求的提高,提出了一种基于迈克尔逊干涉仪反向特性的定位控制方法。该方法采用相位锁定控制和外差干涉技术来完成位置测量和控制。在严格控制实验环境条件下,得到了步距值为5 nm的双向步进位移。步距值的不确定度为8×10-9 nm,位移重复性误差小于1 nm。该定位方法的测量尺寸可直接溯源至长度标准,并且采用光电步进相移法可克服压电陶瓷的非线性和蠕变的机械缺陷。该方法在系统环境控制条件下适用于毫米行程位移,可应用于纳米计量和超精密加工等领域。     

新型二维压电驱动微动工作台的设计分析

研究开发了一种新型压电驱动二自由度纳米级微定位工作台。文章采用静力学理论对微动工作台的运动副进行了建模分析，推导出直角平行板柔性铰链的刚度计算表达式。采用有限元分析方法，对柔性铰链和微动工作台的静、动态力学特性数值分析，并对微动工作台的模态频率进行了实验测试。理论分析、有限元计算和实验结果的一致性说明理论分析的正确性和数值分析的可靠性。     

压电驱动纳米定位台的线性自抗扰控制

压电驱动的纳米定位系统,磁滞严重降低其定位精度.基于磁滞逆模型的定位控制方法,可提高定位精度.然而,因其对模型依赖大,无法在内、外扰动因素存在时,仍保证良好的定位效果.为此,视磁滞为干扰,设计不基于磁滞及定位系统精确数学模型的自抗扰控制,利用扩张状态观测器主动估计磁滞,并实时补偿之,以保证定位精度.本文分析了扩张状态观测器的收敛性、闭环系统的稳定性;讨论了自抗扰控制参数与纳米定位系统动态响应间的关系;对比了PI控制和自抗扰控制的动态响应、时间与误差绝对值乘积积分、平均绝对误差和均方根误差,数值和实验结果均表明自抗扰控制优于PI控制,证实了自抗扰控制可主动估计磁滞、内部不确定性和外部扰动,在其降低定位精度之前即被补偿、保证良好的定位控制效果.     

Large dynamic range nanopositioning using iterative learning control

This paper presents the control system design and tracking performance for a large range single-axis nanopositioning system that is based on a moving magnet actuator and a flexure bearing. While the physical system is designed to be free of friction and backlash, the nonlinearities in the electromagnetic actuator as well as the harmonic distortion in the drive amplifier degrade the tracking performance for dynamic commands. It is shown that linear feedback and feedforward proves to be inadequate to overcome these nonlinearities. This is due to the low open-loop bandwidth of the physical system, which limits the achievable closed-loop bandwidth given actuator saturation concerns. For periodic commands, like those used in scanning applications, the component of the tracking error due to the system nonlinearities exhibits a deterministic pattern and repeats every period. Therefore, a phase lead type iterative learning controller (ILC) is designed and implemented in conjunction with linear feedback and feedforward to reduce this periodic tracking error by more than two orders of magnitude. Experimental results demonstrate the effectiveness of ILC in achieving 10 nm RMS tracking error over 8 mm motion range in response to a 2 Hz band-limited triangular command. This corresponds to a dynamic range of more than 10⁵ for speeds up to 32 mm/s, one of the highest reported in the literature so far, for a cost-effective desktop-sized single-axis motion system.     

压电定位系统的自抗扰控制设计

纳米定位系统中广泛采用的压电驱动器因存在非线性、多映射的迟滞特性而严重影响了纳米定位系统的定位精度.为消除迟滞对定位精度的影响,将其视为干扰,设计不基于迟滞及定位系统精确数学模型的自抗扰控制算法,利用扩张状态观测器实时估计迟滞,进而补偿其对定位精度的影响,获得了良好的定化系统控制仿真效果.仿真结果表明,自抗扰控制器能够仃效消除迟滞、提高纳米定位系统的定位精度.     

三维纳米级微动工作台的设计与分析

研究开发了一种新型精密三维微动工作台。采用呈等边三角形分布的三个压电陶瓷和环形平板铰链机构 ,保证了运动传递的连续性、无洄滞、无摩擦、高精度。建立了工作台的简化模型,并利用结构力学理论推导出工作台沿z方向平动刚度、绕x、y方向转动刚度以及前三阶固有频率解析式。进行了微动工作台沿z方向平动刚度、绕x、y方向转动刚度以及固有频率试验测试,验证了解析方法和有限元方法进行三维工作台刚度及动力特性分析的正确性。有限元分析表明:当工作台的环形平板铰链半径较小而铰链厚度较大时,其刚度、频率及驱动力较高,其铰链根部应力集中也较严重。通过改变环形平板铰链的特征参数,可达到控制和优化工作台固有频率、输出位移、应力分布及驱动力响应的目的,并提出了一种优选微动工作台环形平板铰链参数的简易方法。