基于应力刚化效应的动态特性可调微动平台设计新方法

针对现有基于柔性铰链的微动平台动态特性受材料特性、设计制造等误差影响,难以满足精密微动平台对动态响应（特别是可变频率操作）的高要求,基于应力刚化效应,提出了动态特性可调的微动平台设计新方法,推导预应力作用下一端固定一端导向梁的等效刚度和质量公式;基于对称布置假设,建立含有弹片式柔性铰链(下面简称弹片)组数(离散变量)和截面尺寸(连续变量)的离散连续变量复合优化模型,释放承载刚度约束,获得截面尺寸含有弹片组数变量的精确解系列,分析了给定预应力下不同弹片组数微动平台的承载刚度和频率调节范围,从而通过承载刚度约束和频率调节范围要求确定弹片组数。通过数值算例,验证了推导计算模型求解精度和所提设计方法的应用有效性。计算结果表明,与有限元分析结果相比,本模型的计算结果相对误差小于2%,实现了给定工作刚度、频率和承载刚度约束的微动平台最优结构设计。所提方法实现了刚度和频率大范围的调整,不但降低了加工精度要求,还为动态特性自适应匹配的智能微动平台提供一种实现途径。     

基于柔性铰链微动平台的自抗扰控制方法

微动平台一般以柔性铰链为导向机构,由于系统固有频率低,会严重限制传统PID算法的控制带宽,影响定位精度。因此,设计自抗扰控制算法（ADRC）将系统未建模动态与外部未知扰动共同视作“总扰动”,通过扩张状态观测器（ESO）进行估计和补偿,提高系统的控制带宽。为了充分利用已知的模型信息,设计基于模型的ADRC算法,将柔性铰链标称模型输入到ESO中,进一步提升系统的控制性能。最后,通过10 μm行程的点位运动实验进行验证。结果表明：因为控制带宽无法过大而导致PID难以响应,ADRC提高了控制系统带宽,实现了精密定位;模型ADRC进一步提升了响应速度与定位精度。相比ADRC,模型ADRC整定时间缩短了68.1%,最大跟踪误差降低了53.8%,定位精度提升了60.7%。     

考虑阻尼衰减的点位操作时间最优运动规划

阻尼在机械系统中普遍存在,然而现有运动规划方法普遍不考虑阻尼衰减影响,不能体现运动过程的振动衰减效应。提出一种考虑阻尼衰减的时间最优运动规划模型。在优化模型中的定位误差约束条件基于采用Laplace方法获取的阻尼柔性运动系统的残余振动响应进行定义。同时,定义了一种包含7个独立设计变量的三阶非对称S曲线运动规划模型以便于在运动规划中充分考虑阻尼的影响。数值试验表明阻尼衰减效应对小阻尼运动系统的残余振动响应也有可能产生较大的影响。数值试验与实际运动平台测试结果均表明:优化后的运动规划中加速阶段的急动度要大于减速阶段,以便充分利用阻尼衰减效应来抑制残余振动,从而导致所得时间最优运动规划曲线为一种高加速低减速的非对称运动规划曲线。试验测试结果表明基于所述时间最优运动规划模型得到的最优运动规划较之传统的对称S曲线运动规划方法,可以显著地缩短满足定位精度要求所需的时间。     

基于FPGA的EnDat协议绝对式光栅尺通讯实现

为了满足高速精密运动控制对光栅尺信号的实时反馈的要求,设计了基于FPGA的EnDat 2.2协议接口模块和上位机。针对EnDat 2.2协议的通信传输方式及光栅解码要求,采用状态机设计了解码模块,并通过Modelsim仿真工具验证时序。利用FPGA和MAX485模块组成硬件电路,通过解码模块和CRC校验模块对光栅尺信号进行数据处理,最后把解码并验证成功的位置和参数信息通过串口发送到上位机显示。仿真与实测结果表明该数据采集系统位置采集周期小于40μs,能够满足25 kHz的控制要求,并且成功发送位置值到GUI上位机显示。