一种具有力传感的微夹持器设计与标定

为了避免微夹持器在夹持微小对象过程中对其造成损伤或脱落,要求对夹持力进行预测和控制。提出了一种将电阻式应变片集成于微夹持器结构实现结构-传感一体化设计。以夹持力产生的应变最大、压电陶瓷驱动力产生的应变最小为目标对传感单元的尺寸参数进行优化设计。采用最小二乘方法分别标定压电驱动器输入电压、夹持力与力传感单元应变之间的关系。结果表明,描述驱动电压与传感单元应变的关系为3阶多项式,力传感单元应变与夹持力之间的关系为线性关系。可得出夹持力与驱动电压之间的关系为3阶多项式,利用该关系式可实现预测和控制夹持力。所提出的设计思路和标定方法为微夹持器设计提供一种新思路。

基于Kriging模型的微夹持器优化设计

为了综合平衡一种新型微夹持器的张合量、夹持力灵敏度与快速响应,提出一种Kriging模型的优化方法。采用拉丁超立方抽样方法确定试验点,采用ANSYS计算各试验点对应的响应值。进行相关性分析以确定对性能影响较大的结构参数,并将其作为优化设计变量。采用Kriging理论建立能反映性能指标与设计变量之间关系的非线性模型,并建立多目标优化模型。比较分析优化前与优化后的各性能指标可知,放大倍数增大了7.4%,固有频率增大了16.46%,输出刚度增大了9.84%,最大应力减小了5.75%,说明所提出的性能优化方法有效。

基于有限元法的桥式柔顺机构动态性能分析

为了精确描述桥式柔顺机构的动态性能,采用有限元方法建立其动力学模型,并基于该模型分析其动态性能。采用欧拉-伯努利梁模拟柔性铰链和杆件的力学行为,采用最小势能原理得到桥式机构的刚度矩阵,采用拉格郎日方程建立机构的质量矩阵和动力学方程。基于桥式机构的有限元模型,分别进行铰链尺寸参数对固有频率的灵敏度分析、动刚度和动应力分析。分析结果表明:增大铰链厚度与长度之比可提高机构的响应快速性;在机构工作运动方向有较大的振动,而且在接近于固有频率处发生较大的超调;靠近驱动端的铰链所受的动应力较大,容易疲劳破坏。

基于支持向量机的压电微操作平台非线性特性描述

压电驱动器的迟滞现象会使微操作平台出现非线性问题,严重影响了其运动精度和重复定位精度。为了解决该问题,提出了一种基于Preisach模型与支持向量机的联合建模方法来描述微操作平台的非线性特性。以一种一维微操作平台为对象,以压电驱动电压和所对应的平台输出位移为样本点,采用支持向量机理论建立反映平台非线性回归模型,利用该模型预测非样本点所对应的平台输出位移,结合Preisach模型可精确预测平台在任意电压序列作用下的输出位移。为了验证所建立模型的有效性,进行了实验研究,任意选取2组不同的输入电压序列,利用支持向量机回归模型和Preisach模型分别得到所选取的电压序列对应的输出位移的预测值,在相同的电压序列作用下进行实验得到其实测值,将实测值与预测值进行比较分析,结果表明,2组实测值与预测值之间的相对误差范围分别为0.6%~2.1%、0.02%~2.1%,预测位移与实测位移非常接近,说明所建立的模型能精确描述微操作平台的非线性特性,以实现其精确运动。

压电微操作平台的复合控制

由于压电驱动器的迟滞现象会使微操作平台出现非线性问题,严重影响了其运动精度和重复定位精度。为了解决该问题,提出一种前馈补偿同反馈调节相结合的复合控制算法。联合离散Preisach模型与支持向量机建立反映平台迟滞现象的理论模型,基于该模型采用迭代搜索方法得到离散Preisach逆模型,根据该逆模型对平台进行前馈补偿。反馈调节采用比例-积分-微分(propotion-integral-derivative,简称PID)控制,以校正前馈补偿无法消除的偏差及由模型不确定性所引起的误差。为了说明所提出的控制方法的可行性,对复合控制、前馈控制和PID进行实验验证比较分析,实验结果表明,所提出的控制方法具有更好的控制精度和响应快速性。

基于模糊控制的微操作平台位置精度补偿方法

由于压电式微操作平台的迟滞非线性会导致其位置精度和动态性能下降,且难以建立精确的迟滞非线性模型,采用一种基于模糊控制策略的位置精度补偿方法,以摆脱对迟滞模型的依赖。以一种一维压电式微操作平台为对象,以平台的位置偏差与偏差变化率为模糊输入,压电驱动器输入电压变化量为模糊输出,提出采用基于PID控制的实验数据获取经验来制定模糊规则的方法。通过模糊推理和解模糊过程,建立平台输入量与输出量之间的模糊关系,实现了可消除迟滞现象的自适应补偿。为了说明所提出的位置精度补偿方法的可行性,通过实验与PID控制进行比较,分析平台跟踪不同频率正弦信号的位置误差。实验结果表明,所提出的模糊控制方法能使平台具有更高的位置跟踪精度和更快的跟踪速度,并具有较好的自适应性。

一种微操作平台的自适应运动跟踪控制

针对微操作平台的迟滞非线性和时变性,提出单神经元PID控制策略来对其进行运动跟踪控制,从而提高平台的运动精确性和响应快速性。采用RBF神经网络辨识器对微操作平台的梯度信息进行在线辨识,利用单神经元网络学习算法完成PID参数的在线自整定,实现微操作平台的自适应运动跟踪控制。为说明所提出控制方法的可行性,将其与普通PID控制方法进行了比较分析,实验结果表明,单神经元PID与普通PID控制的位移误差范围分别为-0.50.5μm、-2.52.5μm,调整时间分别为0.1s、0.4s,所提出控制方法具有更好的控制精度和响应快速性,并具有较强的自适应性。

减小温度效应的精密微操作平台稳健优化设计

由于微操作平台往往处于随机变化的温度环境中,提出一种基于田口方法的稳健优化设计以减小温度效应对其性能波动的影响.以一种新型一维微操作平台为对象,采用有限元方法建立计入温度效应的平台热误差模型,并基于该模型分析平台结构参数与热误差之间关系,由此选出对平台热误差影响较大的参数作为控制因子.以热误差为望小特性,温度变化和热膨胀系数为噪声因子,结构参数为控制因子,通过正交试验设计和主效应分析,确定控制因子的最佳水平组合点.通过比较分析优化前与优化后热误差的均值和方差,结果表明它们分别减小了16.03%和12.07%,说明可通过所提出的稳健优化设计方法减小平台的温度效应.