基于改进灰狼算法的宏微复合驱动器磁滞模型的参数辨识

精确辨识磁滞模型参数是保证宏微复合驱动器位移跟踪精度的关键,针对传统灰狼算法(GWO)存在局部最小值和求解精度不高的缺陷,文章提出一种改进的灰狼算法(TGWO)。通过Singer混沌映射优化了灰狼个体的初始位置,以增加种群多样性;采用非线性收敛因子策略提高了局部开发度和全局搜索度;在种群位置迭代更新中引入动态权重更新和自适应更新策略。通过仿真和实验表明:该算法能有效可靠地辨识宏微复合驱动器磁滞模型的参数,平均相对误差为4.6%,拥有更高的精度和收敛性。

基于分数阶PID的宏微复合驱动器宏动控制策略

针对宏微复合驱动器控制系统中存在定位误差大和调节时间长的问题,提出了一种基于次最优分数阶PID的控制策略。简述了宏微复合驱动器结构及工作原理,并基于电磁驱动原理建立了宏动部分数学模型;设计了分数阶PID控制器,并采用遗传算法和次最优的方法对控制器进行参数整定;通过数值仿真和实验验证了分数阶PID控制器的有效性。结果显示,采用分数阶PID控制器相较于传统PID控制器在5 mm以及更大定位行程中位移超调量下降超过57%,调节时间减少超过24%,且行程越大驱动器采用分数阶PID控制器控制效果越明显。研究结果表明,分数阶PID控制器在宏微复合驱动器宏动系统中的控制效果明显优于传统PID控制器。

基于Halbach阵列宏微复合驱动器的输出力优化研究

为提升宏微复合驱动器的输出力以及改善输出力波动,采用将永磁体进行Halbach阵列方式布置,并通过添加辅助磁轭来改变宏动线圈与永磁体的相对位置两种方法结合的方案。为验证优化方案的有效性,采用有限元电磁场仿真,分析宏微复合驱动器优化前后的输出力变化,并以提高输出力和降低输出力波动为目标,得出了Halbach阵列的永磁体最佳尺寸。最后搭建实验平台验证了优化方案的合理性。结果表明:优化方案使宏微复合驱动器在电流大小为4 A时,输出力达到95 N左右,输出力波动减小为23 N左右,验证了优化方案的合理性。

基于自抗扰的宏微复合驱动器宏动控制策略研究

面向高速精密定位领域设计了以音圈电机为宏动部分,超磁致伸缩驱动器为微动部分的同轴式宏微复合驱动器。为实现宏动部分的驱动控制,基于电磁驱动原理建立了宏动部分的动力学模型,设计了自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)系统,其包括4阶扩张状态观测器及非线性状态误差反馈控制率,采用5阶S型位移曲线作为路径规划,并搭建了实验测试平台进行验证。实验结果显示:定位过程中,ADRC算法控制下其最大跟随误差约为0.155 mm,最终定位误差约为9μm,在负载工况下,最大跟随误差约为0.277 mm,最终定位误差约为11μm。研究结果表明:ADRC算法较于PID算法跟随误差更低,超调更小,且最终定位误差处于宏微复合驱动器微动的定位范围内,满足整体设计要求。

宏微复合平台的微运动动态模型研究

宏微复合平台常应用于大行程运动和高精度定位的场合。基于对宏微复合驱动技术的的分析及研究,提出了一种音圈电机与压电陶瓷复合驱动的宏微复合运动平台结构,其中微运动平台采用压电陶瓷驱动和弹簧预紧,具有结构简单、分辨率高、刚度高和响应速度快等优点。针对微运动平台的主动控制问题,考虑压电陶瓷驱动器驱动电路以及滑块与摩擦复合作用的影响,建立微运动平台动态模型。通过微运动平台动态特性的实验研究,分析滑块与摩擦复合作用对微运动平台平稳性的影响。结果表明,该模型可快速缩短平台到达稳定的时间,满足平台精密定位要求。

精密宏微复合绝对式光栅尺设计与研究

通过对光栅尺原理的研究,设计一种宏微复合切换测量模式,利用增量码进行低精度测量,绝对码进行高精度测量。采用增量方式采集莫尔条纹的高速性,解决高精度绝对位置采集的低速性,实现宏微复合的高速与高精度的测量。实验证明,高精度低速绝对位置测量过程中测量精度可达0.6μm,在测量中使用新型高速与低速的变速切换测量方式,综合测量速度最高可以达到2m/s。

宏微复合运动平台的自抗扰控制研究

摩擦是影响机械导轨运动平台精度的主要原因.宏微复合运动平台将无摩擦的柔性铰链与直线平台结合在一起,利用柔性铰链的弹性变形补偿摩擦死区.然而,柔性铰链的固有频率低,其非线性弹性振动严重影响微平台定位精度.为此,本文设计视弹性振动为扰动的自抗扰控制策略,该方法避免了建立非线性弹性振动精准数学模型的困难,利用扩张状态观测器主动估计弹性振动及不确定性,并在微平台位置环补偿之,以保证微平台定位精度.与此同时,在控制律中加入加速度前馈以提高系统响应速度.对于宏平台,采用PID控制作为宏平台位置环的控制策略,并通过宏微双级驱动方式补偿受机械导轨非线性摩擦带来的影响.实验对比结果表明,自抗扰控制在受非线性弹性振动影响时,其抗扰性能、跟踪性能优于传统的PID控制,可保证微平台良好的定位精度.

基于虚拟仪器的宏微复合光栅尺测量系统

为适应微电子制造装备中精密位移反馈装置的要求,提出并设计了一种新型宏微复合光栅尺测量系统.测量系统采用LabVIEW虚拟仪器系统高速采集图像数据,通过图像处理算法对放大后的光栅栅纹进行边界处理,将其细化为线再转化为像素点,并补偿运动过程中的微量位移来提高精度.实验结果表明:电机速度为1mm/s,行程为100mm内时,该系统产生的位移误差可控制在1.5μm内,分辨率可达0.275μm.与传统光栅尺测量中需对莫尔条纹进行电子细分相比,本测量系统可以有效消除光栅尺破损、污染、倾斜、光源不稳定等干扰给测量带来的影响,同时保持微米级别的测量精度,特别适用于敞开式光栅尺长行程的测量领域.

同轴集成式宏微复合驱动器的磁路建模分析与实验研究

针对精密定位工作台大行程与高精度特性间的矛盾问题,将音圈电机(voice coil motor,VCM)与超磁致伸缩驱动器(giant magnetostrictive actuator,GMA)结合,提出一种大行程、高精度特性的同轴集成式宏微复合驱动器。为优化驱动器的磁路结构,基于磁路法分别建立驱动器的宏动、微动及整体磁路模型,并采用有限元分析法,得到宏动永磁体结构、宏动磁轭相对磁导率以及宏动线圈电流对宏动磁路的影响规律和不同参数下宏、微磁场间的相互影响规律。为验证优化方案,在研制驱动器样机的基础上,搭建实验平台,测试驱动器的输出性能。研究结果显示:宏动永磁体采用6片瓦型结构,宏动磁轭的相对磁导率为400以上时,宏动力与宏动线圈电流之间近似成线性关系,且不同参数作用下,宏动磁场与微动磁场之间的相互影响均小于0.001Wb/m^(2),试制样机的宏动力最大可达53N,最大加速度可达6.7g,最大驱动行程达到47mm,最高定位误差仅为0.14μm。表明所提出的同轴集成式宏微复合驱动器的设计方案是合理可行的,为研发兼具高速、大行程和高精度特性的精密定位工作台奠定了理论与技术基础。

宏微复合平台切换定位的耦合效应与解耦控制

为了实现宏微复合平台的精密定位,防止压电陶瓷行程饱和,对宏微平台之间的耦合影响进行了研究,分析了宏微平台耦合效应的产生机理,提出基于干扰观测器的前馈补偿解耦复合PID控制方法,保证微平台对宏平台误差的精密补偿。通过对直线电机系统和宏微平台之间的耦合传递函数进行模型辨识,设计了干扰观测器(DOB)和前馈补偿解耦控制器,并结合PID控制组合成为复合控制,在宏微复合平台上开展实验研究。实验结果表明:复合控制下的宏动台耦合位移的绝对值平均减小79.46%,压电陶瓷进行微定位时的行程平均减小38.83%,微定位时间至少减小43.37%。从而验证了该文所提方法的有效性。

基于激光干涉仪的垂直轴宏微复合平台直线度测量及误差分析

设计了一个垂直轴宏微复合平台,宏动台采用交叉滚柱导轨,直线电机驱动,微动台采用柔性铰链导向机构,压电陶瓷驱动,对微动台固有频率进行了测试,其固有频率为351 Hz,响应速度快。然后基于激光干涉仪搭建了宏微复合平台直线度测量系统,获得了-100 mm^100 mm的直线度误差值,分别用两端点连线法以及最小二乘法分析了实验数据,得到了平台导轨的直线度误差25.32μm。最后测试了微动台的低频动态位移输出,可达56.59μm,能满足宏动台直线度补偿要求,该研究为直线度误差补偿提供了依据。

刚柔分级并联驱动宏微复合运动平台设计

高速精密定位是电子制造的要求,轴系摩擦是影响精密定位的重要因素.目前,微米级以上精度必须通过消除摩擦影响的方式来实现,成本很高.本文将大行程的直线电机平台与无摩擦的柔性铰链导向机构结合,提出了一种并联驱动的宏微复合设计新方案,克服了现有宏微复合平台存在的输出饱和问题.具体做法是在无铁芯永磁直线电机模组中,安装两套驱动和测量反馈系统,分别用于驱动宏运动平台和与之通过柔性铰链相连的微运动平台.宏运动平台通过直线导轨滑块'刚性'机械连接系统实现大行程高速运动,微运动平台通过基于柔性铰链的'柔性'连接来快速补偿'刚性'宏运动平台的误差,最终实现大行程高速高精度运动.本文利用上述刚柔分级运动方案,通过基于动力学响应的运动规划方法进一步抑制了高加速运动平台的定位残余振动.基于柔性铰链的微运动系统较之宏运动系统具有更快的响应速度和更小的跟踪轨迹误差,从而实现在高加速运动过程中宏/微驱动力叠加来实现快速运动,同时在匀速与低速定位过程中微驱动器产生反方向作用力来快速补偿宏运动平台的运动误差来实现高定位精度.实验表明,本文提出的宏微复合驱动方案,通过机构的创新,可有效降低控制的复杂度,并实现了高精密快速定位,可以为微光电子制造装备亚微米级高速定位平台设计提供崭新的途径.

面向电子制造的高速精密宏微运动平台研究

在分析宏微复合驱动技术的基础上对高速高精度定位的宏微复合运动平台进行了研究,并研制了基于音圈电机驱动和压电陶瓷驱动的宏微复合运动平台。该平台的宏运动由音圈电机驱动,可实现高加速度和大行程运动;微运动由与音圈电机主轴相连接的压电陶瓷驱动,用以补偿宏运动所产生的定位误差并抑制宏微运动切换所产生的振动,达到平台的精密定位目标。最后,基于所搭建的宏微复合定位系统,开发了平台的控制系统软件,并开展了一系列的实验测试。结果表明,本研究开发的宏微复合定位平台具有良好的工作性能,可满足电子制造高速高精密定位的需要。

高速宏微运动平台及精密定位方法

围绕微电子精密制造封装装备的高性能要求,在宏微复合定位技术的基础上,提出一种新型宏微复合精密定位平台及其精密定位方法。首先利用ADAMS/view对平台进行动力学分析与仿真,明确弹簧刚度与预紧力因素对系统性能的影响,使得符合封装装备高频往复的工作要求。然后提出宏微复合运动的PID切换控制方法,实现平台的控制系统开发,搭建其宏微复合定位平台,并开展其定位性能的实验。结果表明,在速度为0.25m/s,加速度为5g的20mm运行条件下,平台能够实现40nm的定位精度且稳定时间小于105ms。

Progressive failure analysis of composite structure based on micro- and macro-mechanics models

Based on parameter design language, a program of progressive failure analysis in composite structures is proposed. In this program, the relationship between macro- and micro-mechanics is established and the macro stress distribution of the composite structure is calculated by commercial finite element software. According to the macro-stress, the damaged point is found and the micro-stress distribution of representative volume element is calculated by finite-volume direct averaging micromechanics(FVDAM). Compared with the results calculated by failure criterion based on macro-stress field(the maximum stress criteria and Hashin criteria) and micro-stress field(Huang model), it is proven that the failure analysis based on macro- and micro-mechanics model is feasible and efficient.