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宏微双驱动高精度二维运动平台的实现⑧论文作者签名:指导教师签名:论文评阅人:评阅人:评阅人:评阅人:评阅人:答辩委员会主席:一??扔越奄』拗复逝涩琏委员:委员:委员:委员:委员:’,乜四攀浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得逝鎏叁堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签字日期:学位论文作者签名:阳位年弓月牛日君璐学位论文版权使用授权书有权保留并向国家有关部门或机本学位论文作者完全了解逝望盘堂构送交本论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书导师签名:学位论文作者签名:苹签字日期:签字日期:例’年弓月日如肛年月斗日浙江大学硕上学位论文致谢本学位论文能够顺利完成,首先要感谢我的导师居冰峰教授。在两年多的硕士学习中,他都给予我细心的指导和无微不至的关怀。每当在课题进展方面遇到困难时,居教授总会不厌其烦地帮助我分析问题,给我提供宝贵的建议,使我从不同的角度思考解决问题的方法。同时,居冰峰教授渊博的知识、严谨的治学精神、精益求精的研究作风、开阔的国际视野都让我受益匪浅。另外居冰峰教授亲切随和的为人也给我留下了深刻的印象。这些都将对我今后的工作、学习和生活产生深远的影响。在此,衷心地向居冰峰教授表示诚挚的感谢本论文的顺利完成也离不开实验室同学的无私帮助。在此,感谢伏明明、金伟锋、廉孟冬、吴蕾、陈远流、姜燕、白小龙、张威、张戢云,管凯敏、杜慧林、孙安玉、朱吴乐、杨舜尧等,谢谢他们对我的关心和指导感谢宿舍同学申慧敏、刘丽、陈宾宾,谢谢他们在我研究遇到困难时积极地开导和生活中热心地照顾。感谢关心、支持、帮助我的所有人感谢本论文的所有评审专家对本论文的指正和校阅最后,由衷地对我的父母和姐姐说一声,谢谢你们谢谢你们在二十三年中无私的奉献和默默支持,谢谢你们的包容和理解,你们永远是我的坚强后盾。虽然在浙大求是园的生活将告一段落,但这段美好的回忆将伴随我一生:浙大的求是创新精神将永远激励着我踏实做人,诚实做事,不断奋斗奔向人生的更高处。方菲年月日于浙大求是园浙江大学硕士学位论文摘要大行程精密定位技术是生物医学工程、微机电系统、精密光学工程和超精密加工等领域迅速发展的前提条件,它决定了研究对象的尺寸可以细微化到微米级甚至是纳米级,推动着现代科学技术的进步。而传统的单一驱动方式并不能同时满足大行程、高精度的定位要求,行程与定位精度之间的矛盾日益突出。因此,开展大行程精密定位系统的研究具有重大的理论和现实意义。宏微双驱动技术是实现大行程、高定位精度的一种有效策略,基于这一方法,本课题搭建了宏微双驱动高精度二维运动平台系统:宏驱动平台完成大行程要求的位移量,激光传感器测量宏驱动平台的位移误差,压电陶瓷驱动微驱动平台补偿位移误差,提高整个系统的定位精度。宏微双驱动高精度二维运动平台主要包括三个模块:宏驱动平台、微驱动平台和宏微双驱动的协调控制。将直线步进马达作为宏驱动平台的本体,通过系统辨识建立了步进马达的理论模型,提出了当采样周期较大时基于理论模型预测位移误差补偿的方法,仿真结果表明该方法能够明显提高系统的定位精度。设计并制作了一种新型的二维微驱动平台,采用柔性铰链作为传动结构,利用双平行四杆机构来减少两维的耦合位移。通过仿真分析得出该徼驱动平台满足了系统对刚度、强度和固有频率的要求。结合平台的简化模型和系统辨识方法,建立了微驱动平台的动态响应模型和压电陶瓷闭环控制下的输入电压与输出位移的线性关系。基于以上系统,进行了宏微双驱动二维运动平台系统的实验研究:探讨了宏微协调控制的方式、阐述了系统的硬件设计、测试了微驱动平台和测量设备的性能。开展了较大行程的宏微双驱动实时补偿的定位实验,验证了该双驱动技术能够实现大行程和高精度的要求,成功地解决了宏观和微观的矛盾。本文最后总结了研究内容,并在提高宏微双驱动运动平台系统的定位精度方面提出了一些建议和希望。关键词:双驱动、高精度、大行程,柔性铰链、系统辨识一一.,..,,.//.,:..,.:。,?/.诎...,...,...’..://,’../.:,,,,浙江大学硕上学位论文目次至受谢....一摘要?.??...??..目次..第章绪论....?.宏微双驱动平台的研究背景?..宏微双驱动平台的研究现状?...宏驱动平台的实现方式?一】..微驱动平台的实现方式..宏微双驱动平台的测量技术..宏微双驱动平台的控制策略??~..宏微双驱动平台的整体设计与研究??..宏微双驱动平台的未来发展方向??..研究目标及意义.论文主要研究内容.本章小结?第章二维微驱动平台的设计与研究.二维徽驱动平台的设计与分析..徼驱动平台的设计..微驱动平台的结构参数计算..微驱动平台的仿真分析?....?一.压电陶瓷驱动器的基本特性??】.压电陶瓷驱动的二维微驱动平台特性研究?...压电陶瓷驱动的二维微驱动平台的理论模型?..压电陶瓷驱动的二维微驱动平台驱动电压与位移输出的关系..压电陶瓷驱动的二维微驱动平台的系统辨识?.本章小结第章直线步进马达运动系统的搭建及系统辨识一浙江大学硕士学位论文.步进马达的工作原理?.宏驱动平台系统的搭建及调试.步进马达的系统辨识?....系统辨识的原理?...步进马达系统辨识的实验参数选择..系统辨识的输入信号发生..步进马达系统辨识的实验及分析.基于模型的预测补偿仿真??..本章小结第章宏微双驱动运动平台系统的构建及实验研究??...宏微双驱动运动平台控制方法的研究..微驱动平台的控制策略?..宏微双驱动协调控制策略.宏微双驱动运动平台的系统设计../转换器转换准确性测试??~..激光动态校准仪测量准确性测试..宏驱动平台与微驱动平台耦合测试..微驱动平台方向与方向耦合情况分析??一.宏微双驱动系统的实验结果及分析?..小行程、小采样频率的宏微双驱动实时补偿实验??...较大行程、小采样频率的宏微双驱动实时补偿实验?..较大行程.大采样频率的宏微双驱动实时补偿实验?.本章小结.第章结论与展望.结论??一.展望参考文献硕士期间发表的论文及研究成果??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????~浙江大学硕士学位论文第章绪论第章绪论【本章摘要本章介绍了宏微双驱动技术的研究背景和应用领域,分析了宏微双驱动平台的系统组成及控制策略,展望了宏微双驱动平台未来的发展方向。基于以上调研结果,提出了本课题研究的主要内容并综述该课题的目标和意义..宏微双驱动平台的研究背景随着微纳米技术的出现和不断发展,操作对象也不断走向微细化,因此在进行研究及加工的过程中我们需要能够在大行程的范围内达到亚纳米甚至是纳米级精度的操作系统来完成,尤其是大规模集成电路制造过程中芯片制造与封装、徼电子机械系统中微纳元件的生产与组装、生物机械工程的细胞移动与分离、精密工程中精密测量及精密加工等领域的迅速发展】,都对精密定位系统提出了极高的精度要求。近年来,大规模集成电路制造进入了蓬勃发展的时代。但目前我国芯片产业设备的工业水平与国外先进水平有较大差距,国内芯片封闭设备的%依赖进口,在西方发达国家技术封锁下,高端的芯片封装设备引进受到制约。如果单纯依靠引进,我国芯片产业的装备就难以达到世界先进水平【。纠其原因在于我们无法掌握先进的较小线宽制造工艺来满足的生产与封装要求,而在用于制造芯片的光刻机中,精密定位平台的定位精度是光刻机实现光刻标准线宽、获得高质量光刻图形的首要条件,决定了光刻机最终的光刻分辨力【】。因此,精密定位平台便成为硅片制造、芯片制造、芯片封装等制造装备业中迫切需要的重要部件。军事工程、光通讯工程、生物工程、精密机械工程、精密光学工程等领域越来越多地应用到机器人系统,相应地,这些领域对所应用的机械人精度定位系统的运动精度、响应速度、力感觉、可控性、灵活性等方面的要求越来越高:机器人系统不仅要有较大的运动范围,同时能够达到纳米级的运动精度;机器人系统在快速运动的同时具有精确的力感划。针对上述要求,采用传统的单一驱动方式的定位平台越来越难以胜任,或者行程较大时精度不能满足要求,如直线电机加滚珠丝杠、伺服电机和音圈电机等;或者精度达到亚纳米级时行程非常小,只有几百微米,如压电陶瓷、磁致伸缩驱动器和形状记忆合金等,这些驱动器均不能兼顾大行程高精度的双重要求,无法解决宏观与微观的矛盾问题。而在浙江大学硕士学位论文第章绪论年麻省理工学院的在机器人运动控制时运用宏微双重驱动的理念来同时实现大行程与高精度,在世纪年代的中后期,国内学者也相继提出了宏微双重驱动技术的初步想法,并在近年中不论是从理论论证还是从实际应用的角度证明了宏徼双重驱动微操作系统在很多方面的性能优于传统的采用单一驱动方式的系统【】。宏微结合双驱动技术是目前实现大行程、高精度运动控制的一种有效策略。该技术基于双驱动的思想【,其基本思路是宏驱动部分实现大行程的运动,高精度的位移传感器测量宏驱动部分的位移输出,控制器比较宏驱动部分的位移输出与预设的理论值之间的误差,将该误差分配给微驱动部分初学补偿宏动部分的位移,微驱动部分的精度决定了整个系统的运动精度,从而在保证大范围运动行程的前提下实现了减小了整个系统的位移误差。图.宏微大行程高精度双驱动系统的结构示意图宏微大行程高精度双驱动系统的结构示意图如图.所示【】。该系统主要由三部分组成:宏动包括伺服电机和滚珠丝杠,伺服电机输出的位移由滚珠丝杠传递给微驱动平台;微驱动平台放置于宏驱动平台之上,采用压电陶瓷驱动器驱动柔性铰链传动机构构成微驱动平台;宏驱动平台的位移由精密光栅尺测量,并将测量的位移量反馈给系统控制单元,控制单元根据反馈位移信号控制压电陶瓷驱动器补偿宏驱动平台的位移误差,同时,电容测微仪测量微驱动平台相对于宏驱动平台的位移。因此,光栅尺反馈的位移加上电容测微仪反馈的位移即为宏微双驱动系统的位移。综上所述,宏微双驱动系统既能够满足大行程的要求,也能够实现高精度的定位和跟踪功能。开展该领域的关键技术研究对促进制造技术的发展、精密光学工程、生物工程和精密机械工程的进步具有重大而深远的意义。第章绪论浙江大学硕士学位论文.宏微双驱动平台的研究现状..宏驱动平台的实现方式宏动部分大多是实现运动范围为十到几十毫米,而定位精度大于的定位。目前,能满足该要求的方案有多种,通常有两种方法:一种是采用直线电机直接驱动,省去了中间机械传动环节,减少了传动误差,避免了由传动机构引入的反向间隙和刚度不足的缺点,简化了系统的结构,可获得较高的速度与加速度,实现微米级的精密定位。但是直线电机的负载敏感性强。一种是采用伺服电机加滚珠丝杠,传动较平稳,可以获得较高的精度。但即使滚珠丝杠效率高、预紧方便,也存在着死区和摩擦引起的间隙、导程误差等缺点。利用直线电机实现两维运动也有两种形式:一种是采用接触式支承将两个一维直线电机层叠成两维,但接触式支承存在着非线性的摩擦力,无法通过精确控制补偿,并且直线电机的两维组合也存在间隙误差。另一种是采用平面直线电机来实现两维运动。平面直线电机:如直线电机依靠气浮支承整个运动平台,运动过程中摩擦力非常小摩擦力对定位精度的影响可以忽略,且直线电机还具有高速、无传动误差的特点。由于式平面直线电机的动子与定子之间的相对运动是依靠磁力来实现的,它们是非接触的,不适宜安装接触式的位移传感器如直线光栅尺,通常情况只进行开环控制,运动精度依靠磁极之间的磁力相互作用来保证,闭环控制的前提是采用非接触式的测量仪器如激光干涉仪进行反馈补偿【。..微驱动平台的实现方式微动部分能够实现定位精度为几纳米,运动范围为十到几十微米的精密定位,配