微进给刀架中位移放大机构的优化设计

基于压电陶瓷驱动的刀具微进给机构是满足精密加工的重要途径,为进一步增加微进给刀架驱动位移,在微进给刀架中增加一种柔性铰链微位移放大机构,增加压电陶瓷驱动器输出位移。该文设计了4种微位移放大机构,理论计算了静态刚度,利用ANSYS软件对4种微位移放大机构进行了建模和有限元数值仿真分析,对比了不同类型的微位移放大机构的放大倍数、负载能力和应力情况等静态特性,为优化设计刀具微进给机构打下良好基础。     

压电陶瓷微位移器件迟滞模型的研究

在通过统计物理学角度分析压电陶瓷迟滞规律的基础上，结合数学建模方法，提出了一种简单实用的压电陶瓷迟滞数学模型。并设计了压电陶瓷实验控制系统，对迟滞数学模型进行了验证，实验结果表明，此模型可以有效减小压电陶瓷的迟滞非线性误差，提高压电陶瓷微位移的控制精度，本研究有助于实现基于压电陶瓷的高精度开环微位移控制。     

基于电容传感器的精密压电微位移系统研究

利用高精度的电容传感器设计了一种带有位移反馈的压电陶瓷精密微位移系统,极大地矫正了压电陶瓷的非线性。设计了高精度的位移检测电路,实时采集电容传感器的电容量并转换成数字信号反馈给DSP,形成位移信息的闭环。结合带有前馈补偿的PID闭环控制策略,矫正压电陶瓷的非线性特性,进而实现微位移系统精密定位。对设计研制的微位移系统进行试验测试,结果表明:位移检测电路的电容分辨率可达0.000 1pF,微位移系统定位精度优于5nm,校正后迟滞误差低于1.0%。     

用VB数据库实现压电陶瓷Preisach模型及定位控制

压电陶瓷器件在精密定位和微位移控制中得到了广泛的应用，但是它也存在着迟滞、蠕变和非线性等不足。preisach数学模型可用来描述压电陶瓷的迟滞特性，并根据电压变化的历史预测电压的对应位移量。根据压电陶瓷的特性及利用VB数据库技术实现preisach数学模型的改进形式，使压电陶瓷的位移控制精度得到提高和改进。     

压电陶瓷驱动器迟滞非线性的改善方法

压电陶瓷驱动器在微位移定位方面被广泛应用,但压电陶瓷驱动器的迟滞非线性严重影响其定位精度,因此,介绍了各种改善压电陶瓷驱动器迟滞非线性特性的方法,并提出了用3次样条插值法和最小二乘曲线拟合法来实现压电陶瓷驱动器的精确定位,改善压电陶瓷驱动器的迟滞非线性特性,实验表明,以上方法可使压电陶瓷驱动器的定位误差小于5％.     

压电陶瓷电机驱动的三维微动定位平台及验证

压电陶瓷电机具有高分辨率和压电驱动装置的动态特性,具有体积小、结构紧凑、成本低、输出力大、响应快、精度高、无电磁干扰等特点,但存在滞后误差、垂向位移误差,行程短的问题,尤其在电极损耗后,补偿量增大,严重影响了定位精度和难以满足三维加工的工作要求。该文通过对压电陶瓷电机驱动的百毫米以上超精密加工三维结构平台的性能研究,采用宏微双驱动协调控制,实现大行程和小步距的有机结合,对微动精密工作台性能进行实验,得到了平台运行的特性曲线。结果表明该机构的动态性和稳态性能良好,实现超低速、响应快、超高分辨率、高精度的双向步进运动,可以达到亚微米至纳米量级的定位精度,满足极微细电火花加工的高精度要求,为进一步研究压电陶瓷电机在超精密运动系统的应用、提高系统的定位精度,提供科学依据。     

压电陶瓷电机驱动的三维微动定位平台及验证

压电陶瓷电机具有高分辨率和压电驱动装置的动态特性,具有体积小、结构紧凑、成本低、输出力大、响应快、精度高、无电磁干扰等特点,但存在滞后误差、垂向位移误差,行程短的问题,尤其在电极损耗后,补偿量增大,严重影响了定位精度和难以满足三维加工的工作要求。该文通过对压电陶瓷电机驱动的百毫米以上超精密加工三维结构平台的性能研究,采用宏微双驱动协调控制,实现大行程和小步距的有机结合,对微动精密工作台性能进行实验,得到了平台运行的特性曲线。结果表明该机构的动态性和稳态性能良好,实现超低速、响应快、超高分辨率、高精度的双向步进运动,可以达到亚微米至纳米量级的定位精度,满足极微细电火花加工的高精度要求,为进一步研究压电陶瓷电机在超精密运动系统的应用、提高系统的定位精度,提供科学依据。     

一维压电式微定位机构的设计研究

针对精密工作台高速、低精度的矛盾,以柔性铰链为导向元件、压电陶瓷为驱动器,研究、设计了一种一维高分辨率压电式微定位机构。由于精密工作台高速运动产生的运动惯量较大,欲实现亚微米级的定位精度是很困难的,因而在精密工作台运行到位后,由微定位机构对检测装置所检测出的定位误差进行补偿,以提高工作台的定位精度;由于压电陶瓷微位移器件输出位移过小,因此提出了一种单自由度对称式柔性铰链放大机构来提高微定位行程。给出了机构的动力学模型,并结合光栅尺检测装置,设计并研制了数字闭环定位控制系统,对微定位机构的定位特性进行了测试。实测结果表明,此微定位系统可实现高分辨率、长行程定位,定位分辨率达0.01μm。     

压电陶瓷驱动平台的复合控制方法研究

压电陶瓷驱动平台的迟滞非线性影响其定位精度,并降低原子力显微镜等微纳操纵系统对微纳米尺度样品的扫描成像质量。采用最小二乘法对压电陶瓷驱动平台的迟滞特性进行建模,避免了繁琐的迟滞模型求取过程;提出前馈控制与自抗扰控制相结合的复合控制方法,通过设定扩张观测器的带宽及系统控制带宽达到消除迟滞、提高平台定位精度的目的。实验结果表明,该复合控制方法在保证系统稳定性的前提下能有效地提高系统定位控制精度。     

压电式执行器用于超精密进给机构的技术研究

通过对压电陶瓷微位移执行器动态特性问题的研究,设计了一种可微机控制的数字高压信号源作为电压调节器、压电陶瓷作为驱动器的精密微动平台。针对高精度的定位和进给需要,设计了数字闭环控制系统,引入数字比例-积分-微分(PID)模糊控制器以提高系统的动态特性。实验表明,该控制系统简单、可靠、实用,所提出的校正方法对改善压电陶瓷微位移执行器的动态特性有显著效果,现已将其用在磨床进给机构中。     

压电驱动器迟滞特性的类Hammerstein模型

压电驱动器中迟滞特性会影响微操作系统的定位精度。为了消除迟滞对系统的不良影响,该文提出了类Hammerstein模型来描述压电驱动器的迟滞特性。首先,提出了改进迟滞算子（MDHO）,在算子中增加偏置、死区宽度、斜率调整滞环的高度和宽度,体现迟滞的非对称性和速率相关性;然后,利用改进迟滞算子加权叠加表示静态非线性部分,迟滞算子的参数和权重可以在线调整来适应外界条件的变化,利用输入自回归模型表示动态线性部分,建立了可以描述压电驱动器速率相关迟滞特性的类Hammerstein模型;最后,依次通过最小二乘法、矩阵扩围、矩阵奇异值分解对模型中的参数进行辨识,并证明了所辨识的参数是无偏估计。研究结果表明所提出的建模方法是有效的。     

压电陶瓷管驱动三自由度微操作手的研究与应用

基于机构、驱动、检测一体化的设计思想，研制出压电陶瓷管驱动的三自由度微操作手，研究了微操作手的建模、驱动与位置检测，给出了静力学建模公式，研制出双极性压电陶瓷驱动电源、微位移检测电路，并构成高精度位置闭环控制系统，实现了纳米级微动定位。最后以微操作手为核心构成微操作机器人系统，通过微操作手的微动调整，成功完成了直径为Φ0.2mm轴孔零件的微装配任务。     

霍耳位移法测量压电陶瓷的压电系数

提出了一种利用霍耳位移传感器测量压电陶瓷的横向压电系数的新方法。该方法利用压电陶瓷的逆压电效应,对压电陶瓷施加一定大小的电压,使其在垂直电场方向上产生微小形变,利用霍耳位移传感器法测量这一微小位移,得到不同电压驱动下压电陶瓷相应的伸长量,通过计算得出该材料的压电系数。实验表明,该方法简单可靠,精确度高,实验结果符合预期。     

斐索干涉仪中压电陶瓷的非线性校正

相移器是斐索干涉仪的核心部件,其关键为压电陶瓷(PZT)致动器,而其迟滞非线性特性严重影响了相移精度,对光学元件的形貌检测造成不利影响。该文首先设计了PZT的控制系统,利用National Instruments（NI）动态数据采集设备（PCIe 6321）、LabVIEW系统及电压放大器组成电压驱动系统产生驱动信号,利用电阻式应变仪、惠斯通电桥作为位移传感器采集位移;其次,提出了一种多项式模型及基于PZT传递函数的前馈开环校正算法对PZT进行建模及校正;最后,在实验系统上对该算法进行了验证。实验结果表明,校正后,相移器的相移误差可被改善,校正前、后位移差小于10%。该系统可有效校正非线性,从而降低非线性相移对测量结果的影响,满足检测光学元件面形的高精度要求。     

活塞异形销孔加工的研究

依据汽车活塞采用异形销孔的必要性和国内外异形销孔加工的现状，采用压电陶瓷驱动的柔性铰链机构实现镗刀的径向微位移。根据活塞异形销孔几何特征和压电陶瓷驱动器的控制精度高、刚性好和大频响特点，在位置反馈的系统中引入重复控制和反馈通道的开不前馈控制，从而提高了系统的稳定性和跟踪精度。实验表明加工精度可达3μm。     

双向二维快速伺服刀架的前馈控制研究

以压电陶瓷驱动器作为动力输入的快速伺服刀架具有输出力大和高频率响应的优点。压电陶瓷驱动器固有的迟滞现象严重影响了快速伺服刀架的输出定位精度。为解决此问题,通过引入归一化Bouc-Wen模型建立前馈控制补偿器,归一化Bouc-Wen模型解决了经典Bouc-Wen模型中存在的参数冗余问题。获得模型参数后,基于其逆模型搭建了前馈补偿器,并在搭建的实验平台上进行了单/双自由度轨迹跟踪性能测试。实验结果表明,对于等幅正弦波信号,经前馈控制环节补偿下快速伺服刀架的最大轨迹跟踪误差为1.18%,最大轨迹跟踪偏差为2.61%,证明该文所提出的前馈控制补偿器能提高快速伺服刀架的定位精度。     

基于LSTM神经网络的压电执行器位移迟滞建模

该文搭建迟滞测量实验平台,测量一种用于LED晶圆检测压电执行器的迟滞效应,设计了一种基于长短期记忆(LSTM)神经网络的压电迟滞模型,使用时间序列预测法对压电执行器位移迟滞效应建模。将该模型与传统的Prandtl-Ishlinskii(PI)模型进行对比。实验结果表明,神经网络模型具有较好、较广泛的迟滞建模效果,对于正弦波,位移预测精度保证小于2%;对于衰减正弦波,位移预测精度可保证小于3%。较高的模型预测精度为使用压电执行器进行LED晶圆检测提供了依据。