本文關(guān)鍵詞：微納操作環(huán)境下平面3PRR并聯(lián)定位系統(tǒng)研究

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【摘要】：微納操作系統(tǒng)是當(dāng)今精密操作、精密制造與精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。一般的微納操作系統(tǒng)包括觀測(cè)器,定位平臺(tái),操作器,控制器等。本文研究的內(nèi)容是基于電子掃描顯微鏡(Scanning Electron Microscopy,SEM)作為觀測(cè)器的微納操作系統(tǒng)中的宏動(dòng)定位平臺(tái)。為了同時(shí)滿足微納操作與宏微結(jié)合的要求,本文研究的宏動(dòng)定位平臺(tái)選用超聲波直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的平面3PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)有3個(gè)并聯(lián)支鏈,每個(gè)支鏈有一個(gè)移動(dòng)副(Prismatic pair,簡(jiǎn)稱P副)驅(qū)動(dòng),兩個(gè)從動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)副(Revolute pair,簡(jiǎn)稱R副)。在滿足SEM環(huán)境無(wú)磁場(chǎng)與真空操作要求的同時(shí),通過(guò)并聯(lián)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制相結(jié)合的方法,使宏動(dòng)平臺(tái)的定位精度在微動(dòng)平臺(tái)的工作空間內(nèi),一般是微米級(jí)別的定位,以實(shí)現(xiàn)宏微結(jié)合的目的。本文研究的微納操作環(huán)境下平面3PRR并聯(lián)定位平臺(tái)的設(shè)計(jì)與控制,主要包括如下幾個(gè)方面的內(nèi)容。(1)分析并設(shè)計(jì)平面3PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)。建立平面3PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)正、逆解模型,并推導(dǎo)機(jī)構(gòu)的速度雅可比矩陣。結(jié)合微納操作工作空間要求,對(duì)平面3PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作空間與奇異性分析,得到機(jī)構(gòu)非奇異工作空間分布規(guī)律。根據(jù)微納操作精度要求,對(duì)平面3PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,結(jié)合非奇異工作空間約束,優(yōu)化得到平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,對(duì)平面3PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模與分析。建立平面3PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型,通過(guò)與軟件仿真結(jié)果作對(duì)比,驗(yàn)證模型正確性�；诮⒌膭�(dòng)力學(xué)模型,分析平臺(tái)末端動(dòng)力學(xué)特性。最后設(shè)計(jì)并制造實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。(2)研究典型平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)誤差傳遞規(guī)律與參數(shù)標(biāo)定方法。首先建立平面3PRR、3RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的誤差模型,提出一種全局誤差靈敏度指標(biāo),基于該指標(biāo)得到兩種不同機(jī)構(gòu)的主要誤差源,并比較異同。通過(guò)比較誤差傳遞矩陣與速度雅可比矩陣發(fā)現(xiàn),速度雅可比矩陣是降維的誤差傳遞矩陣,因此提出一種廣義雅可比矩陣定義。研究基于誤差模型的參數(shù)標(biāo)定方法,發(fā)現(xiàn)此辨識(shí)方法只能辨識(shí)部分參數(shù),對(duì)于平面3RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)而言,主要誤差被辨識(shí);而對(duì)于平面3PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu),主要誤差辨識(shí)不準(zhǔn)確。為了彌補(bǔ)此方法的弊端,在機(jī)構(gòu)本體上設(shè)計(jì)輔助測(cè)量點(diǎn),通過(guò)輔助測(cè)量點(diǎn)設(shè)計(jì)輔助測(cè)量手段,結(jié)合誤差模型辨識(shí)方法與輔助測(cè)量方法,能提高平面3PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的標(biāo)定精度。(3)研究平面3PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)奇異特性與奇異位型規(guī)避及逃逸方法。并聯(lián)機(jī)構(gòu)不可避免的出現(xiàn)奇異區(qū)域與奇異位型,機(jī)構(gòu)的奇異是影響定位精度的其中一個(gè)重要因素。為了提高定位精度和靈巧性,增強(qiáng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可靠性,提出平面3PRR并聯(lián)定位平臺(tái)奇異區(qū)域規(guī)避與奇異位型逃逸控制方法。在奇異區(qū)域規(guī)避方面,針對(duì)兩種不同的情況設(shè)計(jì)奇異邊界規(guī)避控制方法與變姿態(tài)規(guī)避奇異控制方法。在奇異位型逃逸方面,針對(duì)機(jī)構(gòu)三種典型的奇異位型,分別設(shè)計(jì)了逃逸的步驟。(4)研究平面3PRR并聯(lián)定位平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)與控制。研究驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)特性,通過(guò)對(duì)超聲波直線電動(dòng)機(jī)建模與系統(tǒng)辨識(shí),設(shè)計(jì)定位控制算法。在不考慮靜摩擦力死區(qū)影響下,采用模型參考自適應(yīng)(Model Reference Adaptive Control,MRAC)控制算法對(duì)關(guān)節(jié)空間進(jìn)行定位控制,定位效果與常規(guī)算法進(jìn)行比較。由于均未考慮靜摩擦力死區(qū)影響,軌跡跟蹤誤差仍較大。為了進(jìn)一步提高軌跡跟蹤精度,設(shè)計(jì)摩擦力前饋補(bǔ)償控制算法與摩擦力自適應(yīng)補(bǔ)償控制算法,兩種算法均能較好的補(bǔ)償靜摩擦力死區(qū)影響,提高軌跡跟蹤精度,但是摩擦力前饋補(bǔ)償控制算法需要預(yù)先測(cè)量靜摩擦力死區(qū)大小,使用局限性較大;而摩擦力自適應(yīng)補(bǔ)償控制算法能根據(jù)廣義偏差大小估測(cè)靜摩擦力死區(qū)大小進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償,使用面更廣。(5)實(shí)驗(yàn)研究,首先對(duì)超聲波直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)行辨識(shí)與定位控制實(shí)驗(yàn),然后基于平面3PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn),最后進(jìn)行平臺(tái)末端定位控制實(shí)驗(yàn)。
【關(guān)鍵詞】：微納操作環(huán)境 并聯(lián)機(jī)構(gòu) 精密定位 自適應(yīng)控制 超聲波直線電動(dòng)機(jī)
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN16;TH703
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 緒論13-39
• 1.1 研究背景與意義13-19
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述19-34
• 1.2.1 定位與驅(qū)動(dòng)方式綜述19-26
• 1.2.2 并聯(lián)平臺(tái)設(shè)計(jì)分析方法綜述26-30
• 1.2.3 并聯(lián)平臺(tái)控制方法綜述30-34
• 1.3 有待進(jìn)一步研究和解決的問(wèn)題34-37
• 1.4 主要研究?jī)?nèi)容與論文組織結(jié)構(gòu)37-39
• 第二章 平面 3PRR并聯(lián)平臺(tái)分析與設(shè)計(jì)39-71
• 2.1 引言39
• 2.2 平面 3PRR并聯(lián)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與分析39-51
• 2.2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解建模與分析39-45
• 2.2.2 平面 3PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)速度雅可比矩陣45-46
• 2.2.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解建模與分析46-51
• 2.3 平面 3PRR并聯(lián)平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)51-64
• 2.3.1 工作空間分析51-56
• 2.3.2 機(jī)構(gòu)奇異分析56-60
• 2.3.3 機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化60-64
• 2.4 平面 3PRR并聯(lián)平臺(tái)剛體動(dòng)力學(xué)建模與分析64-68
• 2.4.1 剛體逆動(dòng)力學(xué)建模64-65
• 2.4.2 動(dòng)力學(xué)模型數(shù)值算例與仿真分析65-68
• 2.5 平面 3PRR并聯(lián)平臺(tái)樣機(jī)設(shè)計(jì)68-69
• 2.6 本章小結(jié)69-71
• 第三章 典型平面并聯(lián)平臺(tái)誤差分析與標(biāo)定71-91
• 3.1 引言71
• 3.2 平面并聯(lián)平臺(tái)誤差建模與分析71-85
• 3.2.1 平面并聯(lián)平臺(tái)（3PRR與 3RRR）誤差建模71-76
• 3.2.2 誤差靈敏度分析76-82
• 3.2.3 誤差模型與速度雅可比矩陣的關(guān)系82-85
• 3.3 平面 3PRR并聯(lián)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定方法研究85-90
• 3.3.1 基于誤差模型的參數(shù)標(biāo)定方法85-87
• 3.3.2 結(jié)合輔助測(cè)量的參數(shù)標(biāo)定方法87-90
• 3.4 本章小結(jié)90-91
• 第四章 平面 3PRR并聯(lián)定位平臺(tái)奇異特性分析與奇異位型規(guī)避及逃逸方法研究91-105
• 4.1 引言91
• 4.2 確定參數(shù)下的奇異特性與分布規(guī)律91-94
• 4.3 奇異區(qū)域規(guī)避控制方法研究94-99
• 4.3.1 變姿態(tài)規(guī)避奇異控制方法95-97
• 4.3.2 奇異邊界規(guī)避控制方法97-99
• 4.4 奇異位型逃逸方法研究99-104
• 4.4.1 奇異位型I逃逸方法99-101
• 4.4.2 奇異位型II逃逸方法101-102
• 4.4.3 奇異位型III逃逸方法102-104
• 4.5 本章小結(jié)104-105
• 第五章 平面 3PRR并聯(lián)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)與控制研究105-137
• 5.1 引言105
• 5.2 驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)定位系統(tǒng)建模105-111
• 5.2.1 超聲波直線電動(dòng)機(jī)定位平臺(tái)描述106-107
• 5.2.2 超聲波直線電動(dòng)機(jī)定位平臺(tái)建模107-111
• 5.3 驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)定位系統(tǒng)辨識(shí)111-117
• 5.3.1 基于頻率響應(yīng)的系統(tǒng)辨識(shí)112-113
• 5.3.2 基于最小二乘法的系統(tǒng)辨識(shí)113-117
• 5.4 平面 3PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)獨(dú)立關(guān)節(jié)空間控制算法研究117-124
• 5.4.1 積分分離PID定位算法研究117-120
• 5.4.2 模型參考自適應(yīng)控制（MRAC）定位算法研究120-124
• 5.5 摩擦力補(bǔ)償定位算法研究124-133
• 5.5.1 靜摩擦力對(duì)超聲波直線電動(dòng)機(jī)精度影響分析124-128
• 5.5.2 摩擦力前饋補(bǔ)償控制算法研究128-130
• 5.5.3 摩擦力自適應(yīng)補(bǔ)償控制算法研究130-133
• 5.6 基于摩擦力自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)钠矫?3PRR并聯(lián)平臺(tái)半閉環(huán)控制133-136
• 5.7 本章小結(jié)136-137
• 第六章 實(shí)驗(yàn)研究137-169
• 6.1 引言137
• 6.2 獨(dú)立關(guān)節(jié)空間定位控制實(shí)驗(yàn)137-152
• 6.2.1 積分分離PID控制算法實(shí)驗(yàn)140-145
• 6.2.2 模型參考自適應(yīng)控制（MRAC）算法實(shí)驗(yàn)145-148
• 6.2.3 摩擦力前饋補(bǔ)償控制算法實(shí)驗(yàn)148-149
• 6.2.4 摩擦力自適應(yīng)補(bǔ)償控制算法實(shí)驗(yàn)149-151
• 6.2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與分析151-152
• 6.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)152-161
• 6.3.1 結(jié)合輔助測(cè)量手段的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)154-161
• 6.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析161
• 6.4 平面 3PRR并聯(lián)平臺(tái)末端定位控制實(shí)驗(yàn)161-167
• 6.4.1 平臺(tái)末端軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)161-167
• 6.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析167
• 6.5 本章小結(jié)167-169
• 總結(jié)與展望169-172
• 參考文獻(xiàn)172-186
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果186-188
• 致謝188-189
• 附件189

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本文編號(hào)：949828