【摘要】：作為精密工程和精密儀器關鍵技術之一的高精度微位移技術在大規(guī)模集成電路的制造與檢測、生物芯片技術、納米技術、光學組件定位、光纖對接、微電子產(chǎn)品制造、精密和超精密加工、精密操作、精密測量、生物醫(yī)學工程、材料表面原子結構分析等許多尖端領域的應用越來越廣泛。微位移定位技術的發(fā)展與國家在國防軍工和國民經(jīng)濟領域的進步息息相關,它的各項技術指標是各國高科技發(fā)展水平的重要標志。隨著微電子技術、通訊技術和超精密加工等技術的高速發(fā)展,對精密定位技術的要求越來越高,有些應用領域要求系統(tǒng)具有納米級的分辨率,亞微米甚至納米級的重復定位精度。因此,微位移工作平臺被要求具有大行程、高精度、小體積和快速響應等技術要求。論文首先,對課題研究的重要性和意義進行闡述,并對微位移平臺的構成、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,以及論文的研究內(nèi)容進行介紹。其次,介紹了壓電材料的壓電效應與壓電方程、壓電陶瓷的參數(shù)特性和壓電疊堆的工作原理和基本特性。對有限元分析方法進行了闡述,并在此基礎上,利用有限元分析軟件ANSYS對壓電疊堆進行建模,對其位移輸出特進行了分析。結果表明,在一定條件下,壓電疊堆的輸出位移與所施加的電壓呈良好的線性關系,且一定長度的壓電疊堆,壓電陶瓷片越薄,輸出位移越大。第三,針對壓電疊堆位移輸出量小的特點,提出了位移放大機構方案,設計了基于正交三角放大原理的壓電疊堆鈸型位移放大致動器。介紹了放大機構的工作原理。運用靜力學分析方法和能量法,對位移放大機構的工作特性進行計算分析；運用ANSYS有限元軟件,對位移放大機構從靜態(tài)和動態(tài)兩個方面進行計算分析。對位移放大致動器的靜態(tài)和動態(tài)特性進行測試分析。理論分析和實際測試都證明基于正交三角放大原理設計并制造的壓電疊堆位移放大致動器不僅能提供較大的輸出位移和輸出力矩,而且具有優(yōu)秀的靜態(tài)和動態(tài)特性,完全能用作微位移平臺的驅動器。第四,利用壓電疊堆和三角放大原理設計并制造了一個高精度、大力矩、響應快速的微位移平臺。利用有限元分析了這一平臺的位移和應力變化情況,以及平臺的振動模態(tài)和動態(tài)特性。同時,運用激光測試的方式,對這個平臺的特性進行測試。通過靜態(tài)特性測試和動態(tài)特性測試,可以看出這個微位移平臺能穩(wěn)定快速地輸出較大位移。針對在特性測試中,壓電材料的滯后和蠕動特性提出有效的控制方式,實現(xiàn)快速準確的定位。運用LabVIEW對基于壓電疊堆微位移平臺的驅動系統(tǒng)進行設計開發(fā)。分別對開環(huán)控制、增量型PID的閉環(huán)控制和基于MatLab實現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡PID閉環(huán)控制三種定位控制策略進行了設計和分析。最后,實驗結果表明,相比開環(huán)控制,PID的閉環(huán)控制在不影響微位移平臺響應速度的基礎上,克服了壓電材料的滯后和蠕變影響,因此定位的精度和準確性都能得到很好的保證。而基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡PID參數(shù)自整定可以避免人工參數(shù)整定的繁瑣和不及時,進一步提高了這一微位移平臺驅動系統(tǒng)的實用性和定位的準確快速性,值得進一步在實際中進行開發(fā)應用。論文從微位移平臺的構成出發(fā),從壓電疊堆,到基于三角放大原理的鈸型位移致動器,再到微位移平臺,從理論分析、樣機制作和實驗測試等多反面多角度對微位移平臺進行闡述。同時,考慮到壓電材料的磁滯和蠕變等特性,針對微位移平臺研制了帶閉環(huán)的驅動控制系統(tǒng)。最終研制出一種具有高精度、大行程、大力矩、響應快速的微位移平臺。外形尺寸115mm×115mm×20mm,最大位移量140 μ m×140 μ m:重復精度±0.02μm,最大負荷250N。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH703

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本文編號：2337772