基于双光束激光干涉仪的微动平台六维位姿测量建模与误差分析

为解决微动平台末端六维位姿的高精度测量问题,研究基于双光束激光干涉仪的位姿测量方法。利用空间正交布置的三台双光束激光干涉仪,测量微动平台上3个待测平面的线位移和角位移,通过测量系统的数学模型计算得到微动平台的六维位姿。建立了测量系统的数学模型,设计了高精度的简化求解方法,分析了各系统误差对测量结果精度的影响,为建立微动平台高精度位姿测量系统提供了理论基础,并成功应用于实际微动平台的标定。     

压电陶瓷驱动微位移机构迟滞非线性改善方法研究

压电陶瓷驱动器在精密微位移系统中有着广泛的应用,但其固有的迟滞非线性严重影响系统的运动精度,使控制困难.通过数学建模方法建立压电陶瓷的迟滞曲线逆模型,并用此模型对压电陶瓷进行位移补偿,可以有效减小压电陶瓷迟滞非线性对系统精确控制的影响.提出一种用两个压电陶瓷协同驱动微动平台运动的微位移机构,通过基于迟滞逆模型的开环控制方法,对压电陶瓷位移进行误差补偿,可以实现微动平台运动与控制信号较好的线性对应关系.     

三支链六自由度并联柔性铰微动机器人的研究

提出了一种过程中采用的新型三支链六自由度并联微动机器人结构。采用两端分别带有柔性球铰和柔性旋转铰的支杆以简化结构,整体加工包含三个二自由度单元的基平台来有效减小装配误差,并用压电陶瓷驱动弹性平板获得高分辨率高精度。根据运动影响系数理论对其运动学进行分析,求出了其平动台、支杆和柔性铰链的速度表达式。考虑柔性铰链的弹性变形,基于虚功原理建立了其刚度模型。 分析了此类并联微动机器人的设计目标和柔性铰链设计原则,采用模块化精密定位控制器设计了控制系统。实验结果表明,所设计的微动机器人可达到纳米级精度, 简化了六支链六自由度并联微动机器人的复杂结构,减小了装配误差。     

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.     

基于压电陶瓷驱动器的微动平台控制技术

压电陶瓷驱动器是近年发展起来的一种新型微位移控制器件,利用压电陶瓷的逆压电效应使之产生相应的应力和应变,可以驱动二维柔性铰链微动机构实现微位移,达到二维定位的目的.通过分析压电陶瓷的基本理论及其非线性特性和补偿措施,阐明压电陶瓷驱动器直接驱动徽动平台的控制技术.     

带有三维激光干涉仪和压电位移执行器的新型主动隔振系统

我们为超精密测量系统开发了一种新型主动隔振系统。它由三套三维激光干涉仪传感器及六组压电位移执行器组成，以限制空间运动的六个自由度。实现实时补偿振动的功能。     

六自由度奈米测量机之量测系统组装及校正

介绍一个六自由度奈米级精度测量机台(行程为25mm×25mm)之量测系统的组装及系统的校正,此六自由度奈米测量机分为两部份,第一部分为利用五根压电致动器所组成的四自由度(Z、θx、θy、θz)补偿平台,用以补偿组装及加工误差.第二部份为利用V型导轨架构成之XY双轴滑轨平台,配合音圈马达之推动,使平台能达到XY轴向之定位...     

基于位置敏感探测器的六自由度精密位姿测量系统

位置敏感探测器(Position Sensitive Detector,PSD)是一种高精度的二维位移测量传感器,利用三片二维PSD的组合实现空间六自由度相对运动的位移和角度测量。测量系统主要包括三片PSD传感器(包括PSD光敏面和发光管)、低噪声的信号调理和AD采集电路,采用三片PSD正交布局方案,通过PSD光敏面的光点位置计算相对运动的位移和角度。设计了六自由度的PSD标定测试系统,用于PSD测量系统中心偏移和发光管安装误差的标定测试。测试结果表明,PSD测量系统的测量范围优于位移±10mm、角度±2.5°,标定后PSD测量系统的噪声误差为位移0.1mm、角度0.02°,测量系统的绝对位移误差小于0.5mm、角度误差小于0.14°,满足系统0.5mm和0.5°的指标要求。此外,对PSD传感器的环境适应性进行了评估。PSD测量系统具有量程宽、精度高、线性度好的优点,成功应用于天舟1号货运飞船微重力主动隔振装置的相对运动测量中。     

高稳定超微动匀速压电马达

对于某些高精度的测量和精密加工,要求大位移量(50mm)、超微动量(纳米级)、且快速(1mm/sec)的定位驱动装置,以使滑架实现纳米精度的扫描和位移控制。我们已设计制造了“匀速压电马达”(CVPM),它是由两组夹紧器和两组促动器所组成,采用了双压电晶体片。按照交替的“推一拉”方法,并采用了闭环控制补偿其非线性运动误差,实现了连续直线微位移。本文阐述了压电马达的连续微动原理、结构特性、双压电晶片的设计,以及马达效率的计算。     

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。     

Novel linear piezoelectric motor for precision position stage

Conventional servomotor and stepping motor face challenges in nanometer positioning stages due to the complex structure, motion transformation mechanism, and slow dynamic response, especially directly driven by linear motor. A new butterfly-shaped linear piezoelectric motor for linear motion is presented. A two-degree precision position stage driven by the proposed linear ultrasonic motor possesses a simple and compact configuration, which makes the system obtain shorter driving chain. Firstly, the working principle of the linear ultrasonic motor is analyzed. The oscillation orbits of two driving feet on the stator are produced successively by using the anti-symmetric and symmetric vibration modes of the piezoelectric composite structure, and the slider pressed on the driving feet can be propelled twice in only one vibration cycle. Then with the derivation of the dynamic equation of the piezoelectric actuator and transient response model, start-upstart-up and settling state characteristics of the proposed linear actuator is investigated theoretically and experimentally, and is applicable to evaluate step resolution of the precision platform driven by the actuator. Moreover the structure of the two-degree position stage system is described and a special precision displacement measurement system is built. Finally, the characteristics of the two-degree position stage are studied. In the closed-loop condition the positioning accuracy of plus or minus 0.5 μm is experimentally obtained for the stage propelled by the piezoelectric motor. A precision position stage based the proposed butterfly-shaped linear piezoelectric is theoretically and experimentally investigated.     

高精密滚转角测量干涉仪

现有的各种激光干涉仪可以方便地测量围绕垂直于直线位移方向的两个转角偏移,但是对于围绕运动轴的滚转角偏移,特别是对于大行程运动,缺乏有效的测量方法。针对各种高精密直线运动定位装置,设计一个新型的差分平面干涉仪,并采用一个楔面棱镜和楔面反射镜,组合成为一个几何空间对称四光路系统,构成新型的高精密滚转角激光干涉测量仪。它不需要与行程同长的大反射参考镜,但同样能实现高分辨率,而且简便实用,可以直接溯源米定义。试验证明,几何空间对称四光路滚转角干涉测量仪能够有效地排除其他自由度运动的干扰,利用它可以快速高效地测量各种精密直线位移运动的滚转角。使用普通的2π/360细分相位计,测量分辨率为1.1″,若使用2π/36 000的高精密细分相位计,滚转角的测量分辨率可达到0.01″。     

Preload characteristics identification of the piezoelectric-actuated 1-DOF compliant nanopositioning platform

Packaged piezoelectric ceramic actuators (PPCAs) and compliant mechanisms are attractive for nanopositioning and nanomanipulation due to their ultra-high precision. The way to create and keep a proper and steady connection between both ends of the PPCA and the compliant mechanism is an essential step to achieve such a high accuracy. The connection status affects the initial position of the terminal moving plate, the positioning accuracy and the dynamic performance of the nanopositioning platform, especially during a long-time or high-frequency positioning procedure. This paper presents a novel external preload mechanism and tests it in a 1-degree of freedom (1-DOF) compliant nanopositioning platform. The 1-DOF platform utilizes a parallelogram guiding mechanism and a parallelogram load mechanism to provide a more accurate actual input displacement and output displacement. The simulation results verify the proposed stiffness model and dynamic model of the platform. The values of the preload displacement, actual input displacement and output displacement can be measured by three capacitive sensors during the whole positioning procedure. The test results show the preload characteristics vary with different types or control modes of the PPCA. Some fitting formulas are derived to describe the preload displacement, actual input displacement and output displacement using the nominal elongation signal of the PPCA. With the identification of the preload characteristics, the actual and comprehensive output characteristics of the PPCA can be obtained by the strain gauge sensor (SGS) embedded in the PPCA.     

压电微位移台的动态迟滞建模及实验验证

为了提高压电微位移平台快速定位的精确度,建立了一种表征压电微位移平台驱动电压与输出位移关系的定位模型。考虑压电工作台在快速、大行程精确定位过程中会受压电陶瓷迟滞特性及本身动态特性的影响,本文采用BoucWen模型描述压电陶瓷迟滞特性,并结合压电工作台的动态特性进行共同建模,使模型同时体现压电工作台的动态特性与迟滞特性。为了验证模型的正确性,搭建了基于压电微位移平台和相关驱动器的实验设备对模型进行了实验验证,并进行了测控程序的二次开发。研究结果表明,与单纯的Bouc-Wen模型相比,提出模型在最大位移输出为40μm,输入电压频率为40Hz时的最大误差由3.04μm下降到了0.67μm,此时最大相对误差为1.68%。得到的结果验证了提出的模型可较好地模拟压电工作台的迟滞特性与动态特性,大大提高压电微位移平台在快速、大行程定位中的精确度。     

机械零件三维表面形貌测量与评定的研究

介绍了机械零件三维表面形貌的测量与评定,分析了激光干涉式位移传感器的光学原理和干涉条纹信号的细分方法.激光干涉式位移传感器的精度达到了5nm左右.另外,带计量系统的二维工作台也是整个测量系统的关键部分.因为采用了光栅尺作为二维工作台的计量系统,所以在表面形貌的测量过程中二维工作台在X和Y两个水平方向上都能获得精确的定位.     

一种新型三维精密位移系统的设计与分析

研究开发了一种新型的大行程、纳米级和计量型三维精密位移系统。精密位移系统采用模块化结构设计，三个方向的驱动机构均采用完全相同的设计结构，分别称为X、Y、Z向一维工作台。位移系统在X、Y、Z三个方向采用粗、精两级驱动，并分别装有计量光栅。其中X、Y两个方向的驱动机构水平放置且为上下层叠式，Z方向上的驱动机构垂直放置。各方向粗驱动采用交流伺服电机配合精密丝杠和直线导轨进行驱动，精驱动采用压电陶瓷微位移器配合柔性铰链进行驱动，每个方向的两级驱动共用一套计量光栅，从而保证了位移系统的大行程、纳米级和计量型。介绍了位移系统的结构设计，分析了位移系统的位移分辨率、位移系统的计量原理以及位移系统的运动性能，从而为位移系统的设计提供理论依据。     

Note: Development of a high resolution six-degrees-of-freedom optical vibrometer for precision stage

A high resolution six degrees of freedom (6-DOF) optical vibrometer is proposed. 6-DOF vibrations can be simultaneously measured using the proposed optical vibrometer, which reduces measurement time and number. The performance of the proposed vibrometer is verified by experiments. The results show that the accuracy of the proposed optical vibrometer is ±30 nm∕200 nm and ±0.04 arcsec∕0.1 arcsec at 1000 Hz.     

显微视觉控制的微型机电转子引线自动化焊接

构建由三自由度纳米平台和显微视觉系统组成的微操作系统,利用纳米平台的特征在视觉空间的运动误差对视觉空间和纳米平台进行局部标定,在此基础上构造优化方程,对视觉空间和图像空间进行全局标定。利用标定的转换矩阵替换卡尔曼滤波器方程中的系数矩阵,用修改后的卡尔曼滤波器控制特征运动,以提高系统的定位精度。利用高压气流定位引线,解决了引线因柔性而定位困难的问题。实验结果表明,系统全局标定后,利用基于位置的视觉控制方法控制特征运动,其定位精度可达27μm,利用卡尔曼滤波器控制特征运动,精度可达5.4μm。气流定位方法可以将引线定位在电阻焊的电极下方。     

一种滚转角和直线度同步干涉测量方法的研究

提出一种用于精密线性位移台滚转角和运动直线度同步测量的激光外差干涉系统。该干涉系统由一个Koster棱镜、角隅棱镜、分光镜、1/2波片、直角棱镜、1/4波片以及楔面棱镜和楔面反射镜组成。楔面棱镜作为测量运动直线度和滚转角的传感器固定在线性导轨上,当双频激光器的光射入干涉系统中后,形成空间对称的六光束测量信号。空间结构对称、系统共光路的特点使光学分辨率比普通的迈克尔逊干涉仪高一倍,光程死区达到最小。系统稳定性好,抗环境干扰能力强。光路对称使得增加或减小的光程变化相同,其他自由度引起的光程变化相互抵消,仅有运动直线度和滚转角的变化可以进入光程差,有效地排除其他自由度及阿贝误差的串扰,实现高精密测量。试验证明相互平行且不同频率的两束光在同一反射系统中发生运动直线度偏移和滚转角变化时,通过两束光携带的不同相位信息能直接得到运动直线度和滚转角的变化值。它不需要一条与行程同样长度的大反射镜作参考便能够实现高分辨率测量,简单实用,可直接溯源米定义。     

机构,驱动,检测一体化的压电陶瓷旋转型驱动器的研究

绍一种结构紧凑、分辩率高、动态性能好、安装方便的压电陶瓷旋转型驱动器。驱动器内部藏有电阻应变式角移传感器，具有机构、驱动、检测一体化物的特点。该驱动器有多个联接结合面，并且结构要素一致，可以方便地与其他旋转型驱动器或直线型驱动器组装成多自由度的微驱动机器人系统。