本文關(guān)鍵詞：氣動(dòng)波紋管驅(qū)動(dòng)超精密定位系統(tǒng)建模與控制，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：超精密定位是精密加工的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),在精密工程領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用,在光刻技術(shù)、IT制造業(yè)、超精密數(shù)控、大面積液晶面板、微觀世界掃描成像等方面,均發(fā)揮著重要的作用,成為衡量一個(gè)國家超精密制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。當(dāng)前超精密定位系統(tǒng)主要采用電驅(qū)動(dòng)模式,由壓電陶瓷或者精密電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。壓電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)精度高,但行程較小,電機(jī)驅(qū)動(dòng)行程較大,但是精度較低。此外,超精密的應(yīng)用領(lǐng)域如IT制造等場(chǎng)所,電磁干擾是一個(gè)重要問題,電驅(qū)動(dòng)存在電磁干擾,對(duì)超精密加工造成影響。采用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁干擾小,但是氣缸等氣動(dòng)設(shè)備存在摩擦部件,非線性強(qiáng),定位精度不高。采用雙級(jí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以解決行程和精度的問題,但系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不利于定位精度的提高,且精密定位依賴于電驅(qū)動(dòng),電磁干擾問題依舊不能解決。為提高超精密系統(tǒng)的精度和行程,減小對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的電磁干擾,本文設(shè)計(jì)了一種基于氣動(dòng)金屬波紋管單級(jí)驅(qū)動(dòng)的超精密定位平臺(tái),在實(shí)現(xiàn)較大行程和超精密定位方面展開了研究,通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制算法優(yōu)化,提高定位精度,主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。平臺(tái)采用光柵尺檢測(cè)位移,氣浮導(dǎo)軌支撐,電氣壓力比例閥控制波紋管的管腔壓力,調(diào)整波紋管伸縮量,實(shí)現(xiàn)位移控制。波紋管自身沒有滑動(dòng)摩擦,而氣浮導(dǎo)軌降低了系統(tǒng)移動(dòng)平臺(tái)和支撐平臺(tái)間的摩擦力,為超精密定位提供了條件。2.研究波紋管的靜態(tài)特性,建立了平臺(tái)的動(dòng)態(tài)模型,開展模型的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。通過分析波紋管質(zhì)量流量方程、電氣壓力比例閥壓力-流量方程、驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)方程,建立了波紋管驅(qū)動(dòng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)模型。分析波紋管驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的遲滯特性,利用實(shí)驗(yàn)形成的初載曲線,進(jìn)行參數(shù)辨識(shí),建立系統(tǒng)的PI(Prandtl-Ishlinskii)遲滯模型。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)各種模型精度進(jìn)行了比較。3.設(shè)計(jì)復(fù)合控制方案。采用PID反饋控制,提高了平臺(tái)定位精度,基于PI逆模型,進(jìn)行了前饋控制研究。利用PI逆模型,設(shè)計(jì)了平臺(tái)的復(fù)合控制方案,以PI逆模作為前饋控制,對(duì)PID反饋控制的輸出進(jìn)行補(bǔ)償,提高平臺(tái)的定位精度。為降低PI建模和求逆的運(yùn)算量,提高模型的精度,通過改進(jìn)遲滯算子特性,建立了平臺(tái)的廣義遲滯模型。提出了基于廣義PI逆模型的復(fù)合控制,系統(tǒng)響應(yīng)速度和定位精度得到進(jìn)一步提高。4.研究波紋管驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的彈性蠕變特性,建立驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的彈性蠕變模型,設(shè)計(jì)了蠕變補(bǔ)償控制方案。該方案以PI逆模型補(bǔ)償系統(tǒng)遲滯,將PID反饋控制器輸出和彈性蠕變模型輸出按一定的原則運(yùn)算,修正控制電壓,實(shí)現(xiàn)蠕變補(bǔ)償控制。蠕變補(bǔ)償方案對(duì)改善系統(tǒng)低頻輸入和定位模式下的精度有一定的效果。5.設(shè)計(jì)上位機(jī)、下位機(jī)相結(jié)合的控制系統(tǒng)。上位機(jī)采用LabVIEW設(shè)計(jì)人機(jī)界面,完成對(duì)下位機(jī)的監(jiān)控。下位機(jī)采用STM32系列單片機(jī)作為控制單元,和上位機(jī)之間通過串口通信,實(shí)現(xiàn)平臺(tái)控制,并基于此控制系統(tǒng)對(duì)研究模型及控制算法進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。
【關(guān)鍵詞】：超精密 氣動(dòng)波紋管 遲滯補(bǔ)償 彈性蠕變 復(fù)合控制
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP273
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-29
• 1.1 超精密運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)12-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-26
• 1.2.1 超精密定位的驅(qū)動(dòng)技術(shù)13-16
• 1.2.2 超精密定位系統(tǒng)建模與控制16-24
• 1.2.3 存在主要問題24-25
• 1.2.4 超精密定位的發(fā)展趨勢(shì)25-26
• 1.3 研究目的和研究意義26-27
• 1.3.1 研究目的26
• 1.3.2 研究意義26-27
• 1.4 論文研究內(nèi)容27-29
• 1.4.1 主要內(nèi)容27
• 1.4.2 內(nèi)容安排27-29
• 第2章 波紋管驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建和特性分析29-46
• 2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案29-31
• 2.2 基于波紋管的超精密驅(qū)動(dòng)平臺(tái)31-40
• 2.2.1 波紋管驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)31-35
• 2.2.2 氣浮支撐平臺(tái)35-37
• 2.2.3 光柵尺位移檢測(cè)單元37-38
• 2.2.4 驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的典型特性分析38-40
• 2.3 下位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)40-42
• 2.3.1 下位機(jī)的主要功能40
• 2.3.2 下位機(jī)控制系統(tǒng)40-42
• 2.3.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)42
• 2.4 上位機(jī)系統(tǒng)42-44
• 2.4.1 上位機(jī)的主要功能42-43
• 2.4.2 基于LabVIEW的上位機(jī)控制系統(tǒng)43-44
• 2.5 本章小結(jié)44-46
• 第3章 波紋管驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建模與特性研究46-75
• 3.1 超精密定位系統(tǒng)的典型模型46-51
• 3.1.1 線性動(dòng)態(tài)模型47-48
• 3.1.2 遲滯模型48-51
• 3.1.3 蠕變模型51
• 3.2 驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)模型51-65
• 3.2.1 波紋管的靜態(tài)模型52-54
• 3.2.2 波紋管驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型54-58
• 3.2.3 動(dòng)態(tài)模型的特性分析58-65
• 3.3 驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的遲滯模型65-74
• 3.3.1 基于PI模型的系統(tǒng)遲滯模型65-67
• 3.3.2 PI模型的參數(shù)辨識(shí)67-70
• 3.3.3 PI遲滯模型的特性分析70-74
• 3.4 本章小結(jié)74-75
• 第4章 驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的前饋與復(fù)合控制75-100
• 4.1 驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的前饋控制75-77
• 4.1.1 PI解析逆模型75-76
• 4.1.2 基于逆模型的前饋控制76-77
• 4.2 基于動(dòng)態(tài)模型的反饋控制77-85
• 4.2.1 PID控制77-79
• 4.2.2 驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的PID反饋控制79-82
• 4.2.3 實(shí)驗(yàn)與分析82-85
• 4.3 基于遲滯模型的復(fù)合控制85-88
• 4.3.1 方案設(shè)計(jì)85-86
• 4.3.2 實(shí)驗(yàn)與分析86-88
• 4.4 基于廣義逆模型的復(fù)合控制88-99
• 4.4.1 基于廣義PI模型的系統(tǒng)建模89-95
• 4.4.2 方案設(shè)計(jì)95
• 4.4.3 實(shí)驗(yàn)與分析95-99
• 4.5 本章小結(jié)99-100
• 第5章 驅(qū)動(dòng)平臺(tái)彈性蠕變補(bǔ)償控制100-114
• 5.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈性蠕變特性100-103
• 5.1.1 彈性蠕變特性及其影響101-102
• 5.1.2 波紋管驅(qū)動(dòng)的彈性蠕變特性102-103
• 5.2 驅(qū)動(dòng)平臺(tái)彈性蠕變特性分析與實(shí)驗(yàn)建模103-109
• 5.2.1 驅(qū)動(dòng)平臺(tái)彈性蠕變模型103-106
• 5.2.2 彈性蠕變實(shí)驗(yàn)與建模106-109
• 5.3 波紋管彈性蠕變補(bǔ)償控制109-113
• 5.3.1 基于彈性蠕變模型的補(bǔ)償控制110-111
• 5.3.2 實(shí)驗(yàn)與分析111-113
• 5.4 本章小結(jié)113-114
• 第6章 結(jié)論與展望114-116
• 6.1 論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)114-115
• 6.2 下一步研究工作展望115-116
• 參考文獻(xiàn)116-127
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單127-129
• 致謝129-130
• 作者簡介130

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 張金龍;劉陽;郭怡倩;劉京南;內(nèi)田敬久;;納米級(jí)超精密定位工作臺(tái)的研究[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2011年09期

2 劉向東;修春波;李黎;劉承;;遲滯非線性系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模[J];壓電與聲光;2007年01期

  本文關(guān)鍵詞：氣動(dòng)波紋管驅(qū)動(dòng)超精密定位系統(tǒng)建模與控制，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號(hào)：480542