柔性铰链的微动平台设计

根据高性能直线电机直接驱动宏动平台和宏/微双重驱动精密定位机构的要求,基于柔性铰链设计微动平台,实现大行程纳米级别的分辨率和定位精度;微动平台采用压电陶瓷驱动,安装于宏动平台上;整个宏/微系统采用精密绝对光栅和精密增量光栅二级位置检测以解决大行程和高分辨在检测上的矛盾问题,以此为位置反馈实现闭环控制。在平台结构设计的基础上建立系统质量刚度动力学模型,分析平台在阻尼垫块不同的情况的稳定性能。     

一种宏微双重驱动精密定位机构的建模与控制

提出一种宏微双重驱动精密定位机构,采用高性能直线电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;采用精密光栅尺反馈微动平台输出端的位置信号,实现定位机构的全闭环反馈控制。在分别建立宏动、微动、宏微机构模型的基础上,提出复合型宏动控制和模糊自校正PID微动控制的宏微控制策略。实验研究表明:系统的动态和稳态性能良好,该定位机构的最大工作行程100 mm,稳定时间小于40 ms,重复定位精度10 nm。     

高精度定位平台X-Y方向振动误差补偿

为了减小定位平台在X,Y方向的振动误差,实现高精度定位,搭建了宏微结合精密定位系统,由高性能直线电机驱动,气体静压导轨支撑和导向的宏动平台实现系统的大行程微米级定位,并由安装在宏动平台上的压电陶瓷驱动的微动平台对系统进行定位精度补偿。建立了定位系统机电耦合振动模型,采用比例积分微分(proportion integral derivative,简称PID)控制与最小节拍响应控制相结合的策略控制宏动平台,采用前馈-PID控制驱动微动平台,通过电容式微位移传感器实时检测定位系统终端的位置输出信号作为微动台的输入信号,实现定位系统的闭环反馈控制,达到宏动平台的振动误差实时补偿的目的。实验结果显示,所设计的微动补偿平台具有良好的动态特性,定位系统具有良好的误差实时补偿效果,针对X,Y向的振动范围由补偿前的4和3.5μm,补偿后减小到1μm的范围内。结果表明,所研究的振动误差补偿方法可以有效减小定位系统的振动误差,提高系统的定位精度。     

具有角度修正功能的大行程二维纳米工作台

基于宏微组合驱动方式,提出一种具有角度修正功能的大行程二维纳米工作台设计方案来减小精密测量系统中由于工作台定位及角度误差引入的测量误差.首先,从原理上对设计方案进行了论证.该方案中宏动工作台和微动工作台共用位置反馈系统构成闭环控制,并基于压电陶瓷致动器及柔性铰链设计的六自由度微动工作台对宏动工作台进行直线定位误差及角度误差的综合补偿.然后,基于设计方案设计了宏动工作台及微动工作台的结构.最后,对安装调试后的宏微工作台系统进行了直线组合定位测试及角度误差修正测试.实验结果表明,该工作台系统的宏动行程达到了200 mm×200 mm;在闭环控制下,通过六自由度微动工作台的补偿作用可使各角度偏差由上百秒降至10″以内,由此工作台系统在全行程内的直线定位误差可由3μm降至25 nm以内.实验结果验证了提出的组合定位系统的有效性.     

跨尺度二维工作台系统研制

为实现大行程、纳米分辨力的定位目标,研制了跨尺度二维工作台系统。采用大行程宏动台和六自由度微动台组合的方式,搭建了宏/微双驱动高精度二维工作台系统。该系统利用机器视觉技术,采用图像处理方法确定系统中各个零件的位置和方向,宏动台高速移动实现粗定位,通过微动台与宏动台的循环配合工作,最终实现二维工作台系统的纳米级定位精度。实验结果表明,200mm×200mm二维工作台的定位精度在0.6μm左右,该工作台系统具备了大行程、定位时间快、智能化等优点。     

宏/微结合双驱动进给控制系统的建模与仿真研究

采用宏/微结合双驱动进给系统能使系统在大行程范围内具有较高的定位精度。本文设计的宏/微结合双驱动进给系统,由交流伺服电机驱动滚珠丝杠作为宏动机构,压电陶瓷驱动柔性铰链工作台作为微动机构。分别对宏动机构和微动机构进行了数学建模。采用双伺服环控制策略,由宏动机构跟踪输入信号,由精密光栅尺检测宏动机构的实际位移进行反馈构成内伺服环;微动机构将宏动机构的跟踪误差作为输入信号,实时进行补偿,构成外伺服环,实现了宏/微结合双驱动进给系统的连续跟踪控制。最后进行了仿真研究,仿真结果表明跟踪幅值为1mm频率为0.4Hz的正弦曲线,采用宏/微结合双驱动进给系统比只采用宏动机构跟踪误差由±1.6μm减小到了±6nm。     

高加速度宏微运动平台研究

对高加速度宏微运动平台进行了研究,在分析宏微复合驱动技术的基础上,采用一种新型的宏微驱动方式,研制了基于压电陶瓷的高加速度宏微运动平台。宏运动由音圈电机驱动,可实现高加速度、大行程运动;微运动由安装在音圈电机轴上的压电陶瓷驱动,用以补偿宏动所产生的定位误差,达到高精度的设计目标。在微动过程中,由绝对式直线光栅尺实现闭环位置反馈。根据设计要求,搭建了宏微驱动高加速度高精度定位平台,通过实验验证其性能。实验结果表明,该宏微运动平台加速度大于10g,重复定位精度小于1μm。     

新型三自由度宏微运动平台设计与仿真分析

针对集成电路制造、超精密检测仪器及微机电系统加工制造等领域对大行程、多自由度、高速及高精度运动平台日益迫切的需求,提出一种新型大行程三自由度宏微运动平台。该平台采用直线电动机与压电陶瓷进行宏微双重驱动,采用直线光栅与平面光栅实现双闭环位置反馈与控制。基于该平台结构设计,确定其位置正解方程与位置逆解方程,并列举算例验证。基于ADAMS软件对平台进行运动仿真,分析不同驱动类型与驱动参数对运动平台位移、速度及加速度的影响。最后,针对宏微双重驱动传动的精度问题进行实验研究。结果表明,该平台运动学方程正确有效,具有较好的动态响应性与运动规划性,且该种驱动传动形式满足大行程、高速及高精度的性能要求。     

纳米级超精密定位工作台的研究

研制了一套基于激光莫尔信号的超精密定位工作台,定位台以微型计算机为核心,采用激光莫尔传感器检测位置偏差,通过光、机、电的有机结合,可实现纳米级超精密自动定位.定位装置采用串联型粗、微双驱动的精密定位系统,粗动台由步进电动机通过精密丝杠机构直接驱动,可实现大行程微米级定位,微动台由压电陶瓷驱动器驱动,可实现纳米级定位.针...     

直线超声电动机驱动的平面3-PRR并联平台视觉精密定位

提出一种直线超声电动机驱动的平面3-PRR并联平台,研究并联平台视觉精密定位技术。给出并联平台结构并采用矢量链法得到并联平台运动学模型。针对并联平台动平台位姿测量问题,利用视觉系统作为反馈单元,通过图像处理技术对动平台上的人工特征中心定位,实现对动平台位姿精确测量;针对传统PID关节控制器在实际控制中问题,采用基于扰动观测器的并联平台支链控制器模型。试验结果表明：对于目标位置为(20 mm,20 mm),并联平台半闭环控制精度约为±500 µm,而通过视觉定位精度达到±5 µm。视觉定位较半闭环控制大幅提高了并联平台定位精度,能够满足并联平台大行程、高精度定位的需求。     

基于直线光栅尺的高精度定位平台的研制

在精密加工领域,为满足某些精密器件和设备的定位需求,研制了一种高精密定位平台。本定位平台以直线光栅尺为整个系统的位置反馈元件,以直流力矩电机为执行元件,采用摩擦驱动的方式,结合PID算法,完成了高精度定位平台的设计。定位平台可以在200mm的行程范围内,平均定位精度可以达到150nm。同时,设计开发了上位机控制程序,使人机交互更加友好。     

超精密机床宏/微双驱动微位移机构的设计与控制

提出了一种宏/微双驱动微进给机构的设计与控制方法。介绍了宏/微双驱动微位移机构的结构设计,将宏动(大行程)和微动(高分辨率)两者串联以获得理想的运动性能。该机构用步进电机作为宏动的驱动装置以获得大行程和高响应速度,用压电陶瓷微位移器作为精密运动以提高运动分辨率和运动精度。设计了该机构的控制系统,用一个基于模型的开关控制器对微位移装置进行控制,并设计专门的运动分配模块对宏/微运动进行协调控制。最后,分别控制宏动和微动装置对该系统进行了实验,并用激光干涉仪检测。检测结果表明,宏动装置的行程为90 mm,运动分辨率为0.3 μm;压电陶瓷微动装置的行程为40 μm,定位精度为0.9 μm。理论分析和实验结果均表明了控制策略的有效性。     

大行程高精度驱动系统的研究

首先对大行程高精度驱动系统结构研究进展进行介绍和评述,其次针对目前大行程高精度宏微两级定位系统结构复杂,体积大,驱动控制困难等问题,提出研究具有宏微双重运动功能的单一驱动结构将是大行程高精度驱动定位系统的发展方向;指出将超声电机与压电微驱动器结合成为单一驱动器将是大行程高精度驱动系统的一个发展方向;最后对单级超声电机宏微驱动系统建模方法、位置控制策略的研究进展进行了综述,指出了单级宏微驱动的超声电机研究的主要难点。     

压电微动平台的精密运动控制

宏微复合精密定位平台主要应用于微电子制造以实现高速、高精度、大行程定位。压电微动定位平台主要表现出滞后非线性,是实现精密运动控制的巨大障碍。主要针对双光子聚合加工系统中压电微动平台定位精度较低以及会产生抖动等问题进行分析,采用一种新颖的使用具有不确定性和干扰估计的RBF网络自适应鲁棒滑模控制方案,该方案可以实现压电微动定位平台的精确运动控制。并对所辨识的模型采用Matlab的Simulink模块进行仿真,其仿真结果证实了所提出控制方案的优越性,验证了模型的有效性。此外,也验证了存在模型干扰和外部干扰的情况下该控制器具有良好的鲁棒性和自适应能力。报告的RBF网络自适应鲁棒滑模控制方法也可以扩展到其他类型系统的鲁棒控制中。     

SEM环境下3PRR并联平台奇异区域规避与逃逸控制策略

微纳操作系统是精密操作、精密加工领域重要组成部分。微纳操作系统的载物平台负责放置样品和大行程搬运样品,需要大行程、高精度的定位。宏微结合的方法能弥补精密定位平台行程不足的缺点,而并联机构能实现高精度定位,因此采用3PRR(3自由度,每条支链包括一个移动副(P)驱动和两个转动副(R))并联平台作为扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy,SEM)环境下的宏微结合精密平台中的宏动部分。为了实现大行程、高精度定位,需要分析机构工作空间与奇异性分布。通过推导3PRR运动学方程,求得机构雅可比矩阵,研究雅可比矩阵特性,求得3PRR并联平台非奇异工作空间分布,把机构雅可比矩阵特性与奇异分布引入控制范畴,提出两种奇异区域规避控制策略与一种奇异位型逃逸控制策略。对机构如何规避奇异区域与进入奇异位型后如何快速逃逸提供了理论指导,仿真分析表明,提出的策略对机构精密定位与可控性提供了保障。     

直线式时栅传感器的自动定位闭环控制系统设计

为了实现直线式时栅传感器数据的快速采样,提高测试效率,设计了一套高精度自动定位系统。该系统采用ARM作为主控芯片,控制步进电机驱动滚珠丝杠,带动直线式时栅传感器的动测头与直线光栅的扫描头同步运动,同时接收直线式时栅传感器的反馈信号,形成高精度闭环控制,并与上位机之间进行串口通信。系统定位精度达到0.1μm。     

智能控制在超精密定位中的应用研究

针对超精密定位系统对定位精度的要求,研究智能PID控制技术,以提高系统的定位精度.研究对象是采用宏/微双伺服驱动系统中由压电陶瓷器件+柔性铰链构成的两维超精密定位系统.由于压电陶瓷器件+柔性铰链构成的微动系统具有迟滞、蠕变等强非线性,同时受到宏动系统高加速运行的扰动,常规PID控制难以获得良好控制效果.对此,提出神经网络自适应模糊推理PID位置控制系统,并进行了控制系统结构研究,实验结果表明:智能控制能有效改善系统的控制性能,提高了重复定位精度.     

精密定位技术研究

精密定位技术广泛应用于精密仪器、机械和机床、IC工艺制造、计算机外围设备.其特点是精度和分辨率高,台面尺寸从小到大,品种繁多,大多有自动化操作要求,需要集成许多高性能高品质机械零部件,高分辨力检测元器件,因此制作难度大,投资大.过去精密定位的精度和分辨率已从毫米量级过渡到了微米、从亚微米进入到了纳米量级.本文概述了获取高精度定位精度的支撑关键技术.介绍了基于宏微二级叠加方式的控制系统,研制的宏动工作台用精密滚珠丝杠螺母传动,由交流伺服驱动器驱动,配备反射式光栅检测元件,构成伺服反馈系统, 并对其实际误差曲线进行线性补偿之后,可将定位误差从76 μm降低到3 μm;再在宏动工作台面上安装高精度的微动载物台,由计算机进行宏微切换,从宏运动过渡到微运动方式,可实现大行程纳米量级精密定位.     

大行程超精密工作台的研究

该微动平台采用花岗岩作为机架材料,以压电陶瓷直线电机驱动平台,选择RENISHAW的RGH25光栅作为反馈和宏微双驱动协调控制伺服输出,并提出了提高定位精度的方案.为研究微动工作台提供了参考.通过实验对工作台的性能进行分析,证实平台设计的可行性.     

大行程高精度两级定位工作台的控制方法研究

研究了具有宏微两级驱动双定位工作台的控制技术,该工作台采用直线电机进行大位移驱动,来保证较大的工作行程和较快的响应速度,而采用电致伸缩微位移器完成精密位置驱动,利用单频激光干涉仪实现闭环位置反馈,将该系统应用于实际中,可以实现500mm的工作地程内小于0 .02μm的重复定位精度。