基于动力定位平台的虚拟仿真系统

针对船舶动力定位平台控制方式和推力分配纯数字仿真可信度低,难以直观感受动力定位平台航行效果等问题,基于虚拟引擎构建了一套动力定位虚拟仿真平台。平台由虚拟仿真子平台、数值仿真子平台和数据管理系统组成。虚拟仿真子平台实现环境和人机交互、数值仿真子平台实现控制方式和推力分配算法仿真,数据管理系统传输数据驱动虚拟仿真平台,并在虚拟环境中实现动力定位平台的可视化。仿真结果表明,平台可有效地验证航行效果并能合理分配推力,对实验虚拟仿真的可视化设计具有促进作用。

二自由度大行程无耦合压电粘滑定位平台

针对微操作与微装配任务对多维大范围精密定位运动的需求,采用粘滑驱动原理并结合压电柔顺机构设计二自由度、大行程、无耦合并联定位平台。利用桥式机构对内置压电驱动器进行位移放大,并与复合解耦结构配合构成二维柔顺驱动机构。交叉滚柱导轨则连接移动台与驱动机构,并通过预紧螺钉调整接触摩擦力,进而获得良好的粘滑运动特性。采用有限元法建立定位平台的静力学模型,并对位移放大倍数、应力和固有频率进行仿真分析。最后,搭建实验测试系统验证定位平台的输出性能。实验结果表明:在扫描驱动模式下,驱动电压为150 V时,平台x和y向的输出位移分别为63.84μm和62.61μm,耦合比为0.52%和0.59%,分辨率为6.5 nm和7.2 nm;在步进驱动模式下,驱动电压为120 V时,平台在x和y向的单步位移分别为47.31μm和47.20μm,耦合比为0.69%和0.73%,x正向、x反向、y正向和y反向的运动分辨率分别为0.49,0.47,0.47和0.42μm,最大垂直负载为50 N,设计的压电粘滑定位平台满足所需性能要求。

音圈电机驱动微定位平台线性自抗扰滑模控制

针对音圈电机驱动柔性微定位平台控制速度和精度低以及抗干扰能力弱等问题,设计了一种将滑模控制和线性自抗扰控制相结合的复合控制器来提高平台系统的控制性能。首先,搭建了音圈电机驱动复合双平行四杆柔性机构的微定位平台和实验系统,并进行了系统辨识;其次,设计了线性自抗扰控制器,利用线性扩张状态观测器估计系统的内外扰动并在线进行扰动补偿,针对线性自抗扰控制器性能优化上的局限性,提出滑模控制器解决相位滞后问题来进一步提升轨迹跟踪精度;最后,利用所搭建的实验平台对控制方法进行了实验验证。结果表明,滑模和线性自抗扰复合控制器能够很好地克服内外干扰,与经典PID控制和单独的线性自抗扰控制相比,跟踪正弦波信号的最大误差分别减小了52.98%和21.26%,满足了微定位平台高精高速的控制要求。

刚柔耦合定位平台结构-运动-控制一体化建模

针对微电子制造行业等领域中的长行程高精度定位问题,提出了一种刚柔耦合定位平台,并建立了其结构-运动-控制一体化动力学仿真模型.首先,根据刚柔耦合定位平台的结构特点对浮动坐标法进行修改,建立了简洁高效的动力学仿真模型.其次,结合动力学模型、3阶S型曲线和经典的PID控制方法建立了结构-运动-控制一体化仿真模型.最后,通过数值算例对仿真模型的有效性进行了验证.数值模拟结果显示,建立的结构-运动-控制一体化仿真模型能够有效地对定位平台的工作过程进行模拟,为后续的结构优化、运动规划和控制系统设计等工作创造条件.

压电微纳定位平台自适应陷波滤波在线谐振抑制

压电驱动柔性微纳米定位平台通常呈现低阻尼谐振模态,高速运动时易激发机械谐振,从而严重影响控制系统稳定性、控制带宽和轨迹跟踪精度。为消除当前谐振控制器对平台动力学建模精度的依赖性,该文设计了一种自适应陷波滤波器来实现压电微纳定位平台的在线实时抑制谐振。首先,搭建了压电驱动柔性微纳定位平台系统并建立其机电耦合动力学模型;其次,利用快速傅里叶变换方法在线分析了闭环系统误差信号,设计平台频率特性提取算法,实现了对陷波滤波器参数的在线自适应整定;最后,利用所设计的自适应陷波滤波器对阶跃信号和三角波信号进行轨迹跟踪实验。实验结果表明,自适应陷波滤波器可以很好地实现谐振的在线抑制,能够有效提升平台的稳定性和轨迹跟踪精度。

大行程柔性微定位平台的伴生转动分析

大行程柔性微定位平台在运动过程中不可避免地产生伴生转动现象,并对其定位精度造成消极影响。为降低伴生转动对平台定位精度的影响,提出一种基于柔性杆的三移一转(3-PPPR)型大行程柔性微定位平台,基于线弹性梁理论模型并考虑柔性杆轴向形变,对两移一转(PPR)柔性运动副伴生转角进行了理论建模,并基于此完成了对所提平台在单轴、双轴及三轴驱动时产生伴生转角的理论分析;再采用有限元分析对理论模型进行验证。最后探究了柔性杆尺寸参数与平台伴生转角之间的灵敏度关系,为所提平台性能提升奠定了基础,并据此提出了改善所提平台运动性能的优化方案。结果表明:3种驱动条件下平台伴生转角理论值与仿真值最大相对误差为2.46%。

电磁直驱柔性微定位平台谐振抑制控制器设计

针对音圈电机驱动柔性微定位平台的低阻尼谐振问题,利用零极点配置的根轨迹校正方法对其谐振振动模态进行有效抑制以满足其跟踪精度高、响应速度快、抗干扰能力强的性能要求。首先,搭建了音圈电机驱动柔性微定位平台系统并进行系统辨识,获得平台的动态特性;其次,为改善系统的响应特性,在原系统根轨迹上加入共轭零点消除低阻尼共轭极点带来的振荡;此外,在闭环系统基础上加入前置的相位超前前馈控制器以消除闭环系统的相位误差;最后,利用所设计控制器对频率为1 Hz、2 Hz、5 Hz的正弦信号和三角波信号进行跟踪实验,最大跟踪误差分别为轨迹幅值的7.08%和6.05%。实验结果表明,系统能够较好的复现所跟踪的信号,跟踪误差得到了较好的抑制,证明了所设计控制器的准确性、有效性。

柔性定位平台的瞬态动力学分析及疲劳寿命分析

为提高超高加速度宏微运动平台完成定位工作时的安全性和精确性,以宏微运动平台的关键部件柔性定位平台为研究对象,探究宏微运动平台在微定位工况下对柔性定位平台疲劳寿命的影响。利用SolidWorks建立柔性定位平台的三维模型,在ANSYS Workbench进行静力分析和瞬态动力学分析,获得柔性定位平台危险点的位置及疲劳分析所用载荷谱。运用Goodman曲线评估方法对平台进行疲劳评估,得出的数据均在Goodman曲线框内,评估结果合理。最后利用nCode计算柔性定位平台的疲劳损伤和疲劳寿命,得出随着驱动频率的增加,柔性定位平台的疲劳寿命在降低的结论。研究结果对超精密定位平台的研究提供了参考。

海上风电导管架基础沉桩定位平台应用

通过对海上风电导管架基础沉桩定位平台结构及使用效果进行综合对比分析,总结了浮式、坐底式以及负压桶式3种高精度沉桩定位平台的优缺点,提出了不同沉桩定位平台在适应范围、船机设备配置、工效等方面的合理化建议,可为今后海上风电导管架基础沉桩施工提供借鉴。

探讨PCB曝光机定位平台精度的提升

为了减轻印制电路板(PCB)曝光机精密定位平台因直线电机发热而引起定位精度变化的问题,设计了一种定位平台直线电机散热方案用于提升散热效率,从而提升定位平台定位精度。试验测试结果表明:定位平台增加了强制风冷装置,电机的温度变化下降了48%,平台定位精度变化降低了69%。使用该散热方案,可提升直线电机的散热效果,减少电机发热对定位平台定位精度的影响,提高精密定位平台的稳定性。

柔性铰链微定位平台的设计

设计了一种以平行板铰链机构进行导向,以桥式机构进行位移放大的新型压电陶瓷驱动微定位平台。应用弹性力学和材料力学理论建立该平台的桥式放大机构和平行板铰链机构的理论模型,分析了平台的驱动力、输出位移、刚度和固有频率,并运用Matlab软件优化了桥式机构铰链长度、厚度,平行板铰链长度及厚度等几何参数,获得了微定位平台的最优值。对优化后的结果进行了有限元仿真,并搭建了测试系统对平台性能进行了测试。测试结果显示,理论分析与实验结果的最大误差为9.8%,有限元分析与实验结果的最大误差为4.2%,得到的结果验证了理论分析和有限元分析的正确性,实现了平台体积小,放大倍数高,位移输出大的设计目标。

微电子制造领域的磁悬浮精密定位平台的结构设计研究

利用磁悬浮技术将铁磁性平台悬浮在磁场中 ,通过线性电机无接触驱动 ,结合控制技术实现平台的快速精密定位。合理的设计将悬浮力和导向力两个磁悬浮系统合二为一 ,即结构简单 ,控制容易又能获得精确的导向精度。选用线性同步电机 ,避免了感应电机磁场感应所产生的法向力对平台的振动作用 ,有利于悬浮系统的控制。悬浮系统无接触 ,无摩擦 ,克服了磨损、金属粉尘及油脂污染等问题 ;无接触线性驱动减少了机械联结件 ,消除了联结间隙 ,减轻了重量 ,能有效提高动态响应频率和定位精度 ;这些使定位平台能够满足现代信息产业对超洁净制作环境和高精度。

音圈电机驱动的柔性定位平台设计与控制

设计了一种二自由度柔性微定位平台,该平台主要由音圈电机和柔性铰链机构等组成.采用直角柔性铰链组成的双平行四杆机构对称安置,以实现平台的大行程和运动解耦,工作行程可达2,mm以上,定位精度可达纳米级.设计空间支撑机构保证其承载能力.对微定位平台进行了结构设计和承载能力等特性分析.考虑到该定位平台动态行为的特点,采用遗传算法优化的BP神经网络组合辨识方法对系统模型进行了辨识,克服了神经网络对复杂系统动态行为辨识存在的缺陷.基于神经网络PID复合逆控制方法对微定位平台进行控制,通过实验对辨识和控制方法进行了验证,结果表明遗传算法优化的神经网络辨识方法与神经网络PID复合逆控制方法适用于该音圈电机驱动的柔性微定位平台系统的实际应用.

新型磁悬浮精密定位平台的研究

针对磁悬浮精密定位平台的运动稳定性问题,设计了一种新型六自由度磁悬浮精密定位平台.该平台采用12个空心电磁线圈做定子、36块永磁体做动子,悬浮部分与驱动部分相互独立,从而很好地解决了由电磁线圈铁心引起的非线性以及悬浮与驱动单元之间的相互耦合问题.采用罗仑兹定律,分析了永磁体长度、线圈电流和悬浮位移对悬浮稳定性的影响,确定了平台的悬浮平衡位置,建立了平台在平衡位置附近的悬浮数学模型,并进行了动态响应仿真研究.研究结果表明,该磁悬浮精密定位平台在悬浮电流为2 A、悬浮高度为0.5 mm时可以稳定悬浮,因此可应用于需要超精密定位和超洁净环境的半导体光刻装置中.

微/纳米定位平台的动态特性分析与试验

为了分析微/纳传动平台的动态特性,应用拉格朗日方程,建立5自由度微/纳米定位平台的动力学模型,推导出固有频率及阶跃响应的解析式.采用有限元方法,仿真得到平台的前5阶固有频率和模态阵型.在不同驱动频率和不同加载下,分别进行静、动态试验,结果表明,平台的开环调节时间为0.812s;驱动频率为100Hz时,发生共振现象;加载小于10N时,平台具有较好的稳定性;动态试验得到压电陶瓷、电容传感器和平台的分辨率分别为4、10和45nm,且平台的重复定位精度为0.6μm.

二自由度微定位平台的研制

研制了一台压电陶瓷驱动和弹性铰链导向的一体化微定位平台,该微定位平台具有高刚度、高响应速度和高分辨率等优点。为了克服压电陶瓷驱动器伸长量较小的不足,采用杠杆放大机构增加微定位平台的位移输出。考虑驱动电路的影响,建立了微定位平台的机电耦合模型。通过试验研究了微定位平台的静动态特性,试验结果表明微定位平台的分辨率为5 nm,固有频率分别为143 Hz和180 Hz。该微定位平台可应用于纳米级的微定位。

二维高精度磁悬浮定位平台的研究

为了解决传统精密机械支承平台由于传动副的间隙、摩擦以及传动杆件弹性变形等引起的运动与定位误差问题,研制了具有"近零摩擦"运动副的高精度磁悬浮二维定位平台样机.该定位平台采用两层结构,最大行程500 mm,每层平台均采用结构相同的6对电磁铁,并以四角磁悬浮支承和侧向平动控制的方式置于导轨之上来实现平台的磁悬浮运动.通过设计磁悬浮平台的受力结构,获得了对平台垂直、水平方向的解耦控制方案.根据电磁轴承系统的数学模型分析,设计并开发了二维电磁悬浮平台和控制系统,使用dSPACE数字控制平台和模拟控制手段,实现了电磁悬浮平台在比例、积分和微分(PID)控制下的5自由度静态稳定悬浮.试验结果表明,悬浮精度达到了10μm,因而有希望成为新一代半导体制造中的高精度定位平台.

用于精密定位平台的直线超声电机的异步并联

提出了直线超声电机异步并联的概念以提高精密定位平台驱动单元的位移分辨率、输出力及速度。基本原理是若干定子(或振子)在一个振动周期内交替驱动动子(或转子),使实际的驱动频率成倍提高,可以获得更好的输出性能。分析显示,提高定子与动子之间的接触频率可以提高输出力和速度,改善瞬态响应特性,并可避免同步并联方式下定子的相互干扰问题。两种电机异步并联的实验结果表明,两个定子异步并联时的最大负载力比两个定子同步并联提高了30%以上,比两个定子单独驱动时的推力之和提高25%以上。最小分辨率测试实验表明,异步并联时最小位移分辨率达到32.6nm,是单个电机的62.8%,是同步并联的38.5%。单驱动头电机的实验还表明,异步并联时空载直线速度比单个定子和两个定子同步并联时都提高了10%以上,最大效率比两个定子同步并联驱动时提高约50%,瞬态响应时间比同步并联更短,约为单个定子驱动时的50%。

3自由度精密定位平台的运动特性和优化设计

为了实现3-RRR柔顺并联精密定位平台的精确运动,研究了它的封闭形式精确运动模型和尺寸优化设计。采用卡氏第二定理建立精密定位平台的封闭式柔度模型。根据柔顺并联机构的结构特点,将其划分为3个对称分布的运动支链,并结合铰链的柔度模型和机构力传递关系分别推导出各个支链的刚度模型,整个系统的刚度为所有支链在同一坐标系下的刚度的叠加。建立的刚度模型是以柔性铰链的柔度为变量的封闭形式模型。根据柔度矩阵可得到反映输入位移和输出位移之间关系的雅可比矩阵。理论模型与有限元分析的比较结果显示,两者所得的运动模型误差为1.0%～9.5%,证明了所推导运动模型的正确性和精确性。根据雅可比矩阵的封闭公式,分析其对结构参数的灵敏度,并由此选出对平台运动特性影响较大的优化设计变量。提出以最大化平台工作空间为目标,以铰链强度、最大输入力、几何尺寸和输入耦合为约束的优化模型。结果表明,优化后的结构参数能获得更大的输出位移,说明该方案能满足优化设计要求。

基于音圈电机精密定位平台的控制系统设计与仿真

针对一类音圈电机直接驱动的二自由度高速精密定位平台,为了在高速高加速情况下,获得良好的动态特性,对其动力学控制方法进行研究.构建了基于音圈电机的x向定位平台的机电耦合动力学模型,并基于此对平台的控制器进行设计,最终得到一种鲁棒性强、易于实现的控制器.该控制器由内环的电流控制器和外环的位置控制器、前置滤波器、前馈控制器、重复控制器和扰动观测器组成.理论分析和仿真实验证明,该控制器能较好地改善此类平台的动态特性,具有调节时间短、无超调和动态响应准确快速等优点,并能够有效提高系统的抗干扰和高频振动能力,所得结论对此类平台控制器的设计具有一定指导意义.