【摘要】：微定位和微操作系統(tǒng)是很多先進儀器裝備中的基礎(chǔ)部分之一,系統(tǒng)中可實現(xiàn)超高分辨率和定位精度的微動機構(gòu)是其關(guān)鍵零部件。偏擺微動臺是可實現(xiàn)精確對準或指向的一類微動裝置,其在半導(dǎo)體制造、激光工程、量子電子學(xué)、微器件裝配及光學(xué)望遠鏡等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。近年來,偏擺微動臺對運動分辨率及定位精度的要求已進入微納米級,基于柔性鉸鏈的柔順機構(gòu)成為開發(fā)高精度偏擺微動臺的重要途徑。本文在國家自然科學(xué)基金及江蘇省產(chǎn)學(xué)研項目的資助下,以提高柔順偏擺微動臺的定位精度和穩(wěn)定性為目標,通過開發(fā)新型柔性鉸鏈及優(yōu)化位移放大機構(gòu),探索了應(yīng)用全平面柔順機構(gòu)開發(fā)空間結(jié)構(gòu)柔順偏擺微動臺的模塊化設(shè)計方法,基于此研究了柔順偏擺微動臺的靜力學(xué)及動力學(xué)建模與分析方法,建立了柔順偏擺微動臺的精密定位控制系統(tǒng),研究了偏擺微動臺的解耦及壓電磁滯補償控制方法,實現(xiàn)了偏擺微動臺的軌跡跟蹤控制,主要完成了以下研究內(nèi)容:1.基于平面柔順機構(gòu)的柔順偏擺微動臺模塊化設(shè)計方法研究。基于矩形截面的平面直梁及平面曲梁提出了全平面多自由度柔性鉸鏈,建立、分析及驗證了其三維柔度模型;建立了平面柔順橋式位移放大機構(gòu)的通用構(gòu)型理論模型,實現(xiàn)了橋式位移放大機構(gòu)的構(gòu)型優(yōu)化;應(yīng)用多自由度柔性鉸鏈模塊及位移放大模塊實現(xiàn)了柔順偏擺微動臺的模塊化樣機設(shè)計。2.空間結(jié)構(gòu)柔順偏擺微動臺的靜力學(xué)分析方法研究。應(yīng)用卡氏位移定理建立了基于柔順杠桿機構(gòu)及圓柱型柔性鉸鏈的柔順偏擺微動臺的靜力學(xué)模型,基于柔順偏擺微動臺的平面等效模型,建立了微動臺的三維準靜態(tài)運動學(xué)分析。應(yīng)用柔度矩陣法及柔順橋式機構(gòu)的平面靜力學(xué)模型,建立了柔順偏擺微動臺多輸入多輸出的三維靜力學(xué)分析,完成了柔順偏擺微動臺靜力學(xué)分析的有限元及實驗驗證。3.柔順偏擺微動臺的動力學(xué)分析方法研究。系統(tǒng)的給出了空間柔順機構(gòu)的集中參數(shù)建模過程,建立了微小變形下的系統(tǒng)動能及系統(tǒng)勢能方程,給出了應(yīng)用拉格朗日方程建立空間柔順機構(gòu)三維動力學(xué)方程的過程,實現(xiàn)了柔順橋式機構(gòu)及柔順偏擺微動臺的三維動力學(xué)建模及分析,完成了動力學(xué)分析的有限元仿真驗證。4.柔順偏擺微動臺的精密定位控制研究。應(yīng)用最小二乘法實現(xiàn)了柔順偏擺微動臺的運動學(xué)模型及壓電驅(qū)動器Bouc-wen磁滯模型參數(shù)的同時辨識,設(shè)計了基于偏擺微動臺逆運動學(xué)模型和壓電驅(qū)動器逆磁滯補償?shù)那梆?反饋復(fù)合控制系統(tǒng),搭建了柔順偏擺微動臺的控制系統(tǒng)實驗平臺,實現(xiàn)了柔順偏擺微動臺的三維軌跡跟蹤實驗。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH703

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本文編號：2780771