压电微动台数据驱动迭代前馈补偿与自适应抑振

为消除压电驱动柔性微定位平台高精控制对平台不确定动力学模型的依赖性,提出了一种数据驱动无模型迭代前馈补偿和自适应陷波滤波结合的控制方法来提高平台的跟踪性能。首先,建立了数据驱动无模型迭代前馈控制器,提高系统对噪声和其他干扰的鲁棒性,同时,证明了在无模型迭代前馈作用下,连续参考输入跟踪误差的有界性和闭环系统的稳定性;其次,构建了自适应陷波滤波器来消除平台谐振的影响,对误差信号进行快速傅里叶变换,并设计谐振频率在线提取算法,实现对陷波滤波器参数的在线实时整定,来进一步提升轨迹跟踪精度;最后,利用所设计的无模型迭代前馈控制器和自适应陷波滤波器对压电微动台进行轨迹跟踪实验。实验结果表明:在跟踪三角波信号时,与单独比例-积分(Proportional Integral,PI)控制和结合自适应陷波滤波器的PI控制相比较,最大跟踪误差分别减小78.25%和70.83%,能够有效提升平台的稳定性和跟踪精度。

美国MicroE圆光栅在数控转台和DDR电机领域的应用及特点

近年来,对精确自动测量转角的要求大大增长,作为自动测量仪器和装备的关键元件圆光栅及反馈系统的需求也日趋迫切。很多部门在精密加工、精密测量和自动控制等方面,使用圆光栅就可以实现自动测量、数显和数控。

亚纳米驱动分辨力的六自由度微动台

微位移工作台是实现高精度定位的关键部件,传统的工作台自由度少且分辨力不高,不能满足应用需求,因此提出一种六自由度高精度微位移工作台结构方案并验证了其性能。在整体结构上采用“串并联混合驱动”的方式和中空结构,将六个自由度的运动合理地分布在平动层,转动层和支撑层三层结构中,并设计开发了工作台的运动控制系统以及一套可搭配使用的运动控制软件。实验结果表明,X,Y,Z轴线位移分别优于20,20和37 μm,角位移行程分别优于39",33"和27";线位移分辨力均优于0.7 nm,角位移分辨力均优于0.1"。所提出的六自由度微位移工作台相比于传统工作台具有自由度多、极高分辨力等优点,有望在超精密加工,微电子制造等领域中获得广泛的应用。

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。

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。

平面3-DOF电磁微动台设计及其解耦控制

针对精密运动应用领域,设计和制作了一种新型的平面三自由度电磁微动台,对此建立了动力学和控制模型。通过电磁力的分配实现控制系统的解耦,对解耦后的单入单出系统设计了双环PD控制器,并进行位置伺服控制实验,验证了解耦策略和控制算法的有效性。

基于计算机微视觉的鲁棒多尺度平面微运动测量

提出一种将计算机微视觉与鲁棒多尺度运动估计算法相结合的测量微运动的方法。设计一种用于微运动测量的鲁棒多尺度运动估计算法。在该算法中,根据滤波器的不同特性,在多尺度金字塔的不同尺度层采用不同的滤波器估计运动。这种分层估计的方法不但可以提高测量精度,而且可以加快测量速度。分析计算机微视觉测量系统的组成,并对设计的微视觉测量系统进行标定。以精密定位平台为测量对象,采用计算机微视觉与鲁棒多尺度运动估计算法相结合的方法测量了精密定位平台的平面微运动。该方法用于测量2000nm左右的微运动时,最大测量偏差达到了12.5nm。试验结果表明,这种将计算机微视觉与鲁棒多尺度运动估计算法相结合的方法能够实现高精度的平面微运动测量。

光刻机微动台的运动解耦及位置控制研究

在分析了光刻机掩膜台微动台(简称微动台)结构的基础上,对微动台的六自由度运动进行了几何解耦,将其分解为两个三自由度上的解耦,并从实际系统的角度出发完成了解耦计算。最后针对微动音圈电机位置控制,提出了基于线性扩张状态观测器的增量式PID控制,并取得了良好的控制效果。

压电驱动一维微动平台的动力性能仿真

为降低一维微动平台定位机构的复杂性，消除输出位移的耦合，根据s型柔性铰链的结构特性，设计了基于压电堆栈驱动和S型柔性铰链为定位机构的一维微动平台。应用ANSYS软件对其进行动力性能仿真分析。结果表明：材料的许用应力340MPa，微动平台的最大应力为37MPa，这小于许用应力，满足强度设计要求。微动平台可以实现0～46．8μm的微位移输出。该结果为进一步研究二维微动平台提供了参考依据。

新型微动工作台的设计与计算

文章设计了一种新型压电式双自由度微位移工作台,提出了一种采用直角双杆机构代替平行四杆机构实现双自由度运动的方法;基于卡氏第二定理推导了新型工作台在不同方向上的输出刚度解析表达式,在此基础上推导出了工作台的前2阶固有频率;根据得到的输出刚度表达式,定量地分析了柔性铰链参数及连杆长度对工作台输出刚度的影响;同时针对3组不同尺寸参数的工作台,采用有限元法对其进行数值计算,并与理论计算比较,结果表明2种方法计算结果吻合很好,说明了理论模型的正确性。

基于正负刚度匹配原理的大行程常力微动平台设计

为解决常力微动平台的正负刚度匹配问题,提出一种利用具有线性力学关系的正负刚度结构形成常力平台的设计思路。为了形成零刚度结构,分别设计了Z字型和梯形两种力—位移关系为线性的正刚度结构。将所设计的两种正刚度结构与具有线性负刚度力学特性的双稳态梁结构进行组合,设计了两种新型的常力微动平台。采用伪刚体方法建立了平台的力学模型,基于该模型采用正负刚度匹配原理确定平台的结构参数。制作样机并与具有非线性力学关系的正刚度结构平台进行比较分析,理论和实验结果表明所设计的平台的常力范围可达2.4 mm,比非线性结构组成的平台增大了1.3 mm,说明了常力平台设计的可行性。所提方法为常力微动平台设计提供了一种更为简易的设计思路。

二维整体式微米工作台解耦问题的研究

在对整体式柔性运动机构分析的基础上,提出了一种能够消除多维微运动机构间耦合误差的整体式微米级运动机构,并借助Ansys的分析工具对研究结果进行了静力学分析及其优化。在此基础上开发出一个整体式二维解耦工作台。

纳米级微动平台的结构力学特性及实验研究

为了实现2维非耦合纳米驱动控制,介绍了一种基于压电陶瓷驱动和柔性筋板导向的一体化新型纳米级微动平台的结构设计.重点介绍了运用解析计算方法对平台结构力学特性的分析研究,得出了该平台导向筋板弱截面处的最大应力以及主体机构的基频值,并通过有限元仿真验证了解析计算结果的正确性.最后,采用显微视觉技术,进行了微动平台动态运动性能的测试实验,给出了平台的动态输入输出特性曲线.

粘滑式压电驱动平台的复合控制

粘滑式压电驱动平台能实现高精度的大行程运动,它由微动台和滑块组成,而微动台的低阻尼振动限制了粘滑式压电驱动平台的运动速度。为了解决这一问题,提出了一种基于主动阻尼的复合控制策略(PI-DPF-FF)。首先,对输入的锯齿波信号进行滤波,使其更平滑。接着,采用时滞位置反馈控制器来主动提高微动台的阻尼,抑制振动。选用跟踪控制器和改进型零相位误差跟踪控制器来减小跟踪误差,提高跟踪带宽。最后,在粘滑式压电驱动平台的样机上对PI-DPF-FF控制器进行了验证。实验结果表明与常规的比例积分控制器相比,PI-DPF-FF控制器将微动台跟踪带宽由32.7 Hz提高到1466.5 Hz。当系统输入占空比为0.2和频率为100 Hz的信号时,与常规的前馈控制器相比,PI-DPF-FF控制器将滑块角速度由3.52 mrad/s提高到9.03 mrad/s,平台运动速度有了明显的提高。

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。

双向驱动的柔顺结构微动平台的设计与测试

针对微纳操控技术对微动平台提出的大行程、高精度、多自由度和输出位移解耦等要求,设计了一种基于两级放大机构的xy两自由度双向驱动微动平台。分析了微动平台的运动及放大原理,建立了微动平台结构的理论模型和有限元模型,并对其进行了测试。平台输出特性测试结果表明,微动平台的放大倍数可达8.5倍,与仿真值误差为6.9%,同时耦合位移控制在0.82%内;平台在150 V三角波信号驱动下,x方向上正、负向输出位移分别为84.6μm、-84.2μm;y方向上正、负向输出位移分别为85.0μm、-84.5μm。不同频率下的最大位移只在极小范围内波动,在x、y方向的正、负向输出具有很高的相似性和稳定性,实现了双向驱动,大行程、高精度的目的。

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。

新型三自由度宏微运动平台设计与仿真分析

针对集成电路制造、超精密检测仪器及微机电系统加工制造等领域对大行程、多自由度、高速及高精度运动平台日益迫切的需求,提出一种新型大行程三自由度宏微运动平台。该平台采用直线电动机与压电陶瓷进行宏微双重驱动,采用直线光栅与平面光栅实现双闭环位置反馈与控制。基于该平台结构设计,确定其位置正解方程与位置逆解方程,并列举算例验证。基于ADAMS软件对平台进行运动仿真,分析不同驱动类型与驱动参数对运动平台位移、速度及加速度的影响。最后,针对宏微双重驱动传动的精度问题进行实验研究。结果表明,该平台运动学方程正确有效,具有较好的动态响应性与运动规划性,且该种驱动传动形式满足大行程、高速及高精度的性能要求。

微动平台导向刚度及应力集中系数研究

微动平台主要以柔性铰链作为其位移导向机构,但是目前常用的弹片式柔性铰链在作为导向机构时存在严重的应力集中的现象,切口型柔性铰链由于严重的局部变形,在传递较大位移时也会产生很大的应力,而应力太大会严重影响柔性机构的疲劳寿命。运用圆倒角弹片式柔性铰链设计了一维微动平台导向机构,运用卡氏第二定理推导了其导向刚度公式,并研究了导向应力集中系数。通过与有限元分析的对比,导向刚度计算公式的最大误差为2.57%,导向应力集中系数的最大误差为1.7%。

扫描隧道显微镜微动台的有限元分析与实验研究

设计了一种以基于尺蠖运动原理的微动台为核心的扫描隧道显微镜(STM)机械机构,利用有限元方法对微动台部分的结构进行分析,对其静态、模态特性进行了实验研究。结果表明:微动台具有较大的行程和较好的稳定性,载物力可以达到16.7 N,最小步距约8.8 nm,行程14mm。