第1章緒論

納米檢測與計量技術(shù)(比如;原子力顯微鏡(AFM)、掃描隧道顯微鏡(STM))的發(fā)展是納米技術(shù)發(fā)展的另一重要前提。STM技術(shù)讓人們成功觀察到了原子實空間圖像,開闊了人們對微觀領(lǐng)域的認知,極大地推動了納米技術(shù)的發(fā)展[1]。不管是在原子力盈微鏡(AFM)技術(shù)中還是掃描隧道顯微鏡(STM)技術(shù)中,都需要對探針和樣品進行納米級的定位。在一些極端情況下,比如;作原子操縱時,甚至還要求探針位移定位精度達到原子級。很明顯,手動或者普通機械方法是沒辦法達到這么高的驅(qū)動精度的。而如果使用步進電機來驅(qū)動,又勢必會增加傳動機構(gòu)和控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。而且,即使是使用目前最高精度的步進電機也無法實現(xiàn)數(shù)十納米甚至數(shù)納米的驅(qū)動精度。在納米加工技術(shù)和納米傳感器技術(shù)中,微型機器人(Micro-robot)有著非常重要的地位。因為具有尺寸小的優(yōu)點,微型機器人能夠進入各種微小空間中進行操作,在微小空腔、微小管道檢測維修,人體腸道、血管檢查醫(yī)治等方面具有天然優(yōu)勢,所以被廣泛應(yīng)用于化工、生物、醫(yī)學(xué)、軍事、核能、航天等領(lǐng)域。微型機器人己成為當前微機械技術(shù)研究的重點方向之一[2]。在各種領(lǐng)域的微型機械設(shè)備中,驅(qū)動器是必不可少的核也部件,驅(qū)動器性能的好壞直接影響到微型機械設(shè)備的整體性能。提離微型機械設(shè)備的運動精度、提高設(shè)備效率和減小設(shè)備體積的關(guān)鍵在于選用高精度、離效率、小體積、輕重量的離性能驅(qū)動器。因此,驅(qū)動器的研究一直是科技界研究的重點方向之一。

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第2章壓電慣性摩擦驅(qū)動器原理與發(fā)展現(xiàn)狀

2.1壓電慣性摩擦驅(qū)動器驅(qū)動原理

驅(qū)動過程分為三個階段:(1)初始階段:在壓電驅(qū)動器的兩端沒有施加任何電壓,壓電驅(qū)動器保持原長,驅(qū)動塊和終端輸出器都保持在初始位置。粘滯階段:在壓電驅(qū)動器的兩端施加一個從0V開始,緩慢增長的電壓,直到到達最大電壓。這個階段,壓電驅(qū)動器會緩慢伸長,并推動驅(qū)動塊向前運動,直到最大位移S。此時,終端輸出器與驅(qū)動塊之間的摩擦力足夠克服終端輸出器的慣性力。所以,終端輸出器會枯滯在驅(qū)動塊上,與驅(qū)動塊一同向前運動直到最大位移S。(3)滑動階段:壓電驅(qū)動器兩端的電壓瞬間被去掉,從最大電壓Umax迅速降到0V。壓電驅(qū)動器會迅速恢復(fù)原長,驅(qū)動塊也被迅速拉回初始位置。此時,由于終端輸出器與驅(qū)動塊之間的摩擦力不足以克服終端輸出器的慣性力,終端輸出器不在粘滯在驅(qū)動塊上,會相對驅(qū)動塊發(fā)生滑動,不跟隨驅(qū)動塊返回,而是保持在最大位移S處。

2.2壓電慣性摩擦驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設(shè)計

在2.1節(jié)中介紹的驅(qū)動原理是理想狀態(tài),而在實際驅(qū)動過程中,驅(qū)動器的輸出步長往往小于理想狀態(tài)下的步長。原因有以下兩點:(1)在驅(qū)動的第二階段(粘滯階段),如果壓電驅(qū)動器的伸長速度過快,驅(qū)動塊與終端輸出器之間的摩擦力不足以克服終端輸出器的慣性力,則二者之間可能發(fā)生相對滑動,導(dǎo)致最終輸出步長比理想狀態(tài)下步長短,因此,在此階段,摩擦力越大越好,慣性力越小越好;在驅(qū)動的第三階段(滑動階段),由于終端輸出器受到向后的摩擦力,如果其向前的慣性力不足克服反向摩擦為時,終端輸出器將不會徹底脫離驅(qū)動塊,會隨驅(qū)動塊往回運動一段距離,導(dǎo)致最終輸出步長比理想狀態(tài)下步長短,因此,在此階段,摩擦力越小越好,慣性力越大越好�？梢�,在驅(qū)動器不同的驅(qū)動階段,對摩擦力和慣性力的需求是不一樣的。為了使實際驅(qū)動步長最大限度地接近理想步長,需要對摩擦力和慣性力進行調(diào)節(jié)。

第3章壓電慣性摩擦驅(qū)動器設(shè)計......35

3.1引言......35
3.2驅(qū)動器基本結(jié)構(gòu)......35
3.3位移數(shù)據(jù)采集......36
第4章壓電慣性摩擦驅(qū)動器的綜合建模......51
4.1引言......51
4.2壓電驅(qū)動器建模......51
第5章壓電慣性摩擦驅(qū)動器的控制......82
5.1引言......82
5.2控制總體方案......82
5.3步進階段控制器設(shè)計.........86

第6章考慮熱效應(yīng)的壓電慣性摩擦驅(qū)動器彈恢復(fù)性控制

6.1引言

對于一個驅(qū)動器系統(tǒng),衡量其性能的指標除了驅(qū)動精度(定位精度,軌跡追蹤能力)之外,系統(tǒng)定性、魯棒性以及系統(tǒng)彈恢復(fù)性也是衡量一個驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標。系統(tǒng)穩(wěn)定性指,系統(tǒng)在擾動消失之后,由偏差狀態(tài)恢復(fù)到平衡狀態(tài)的能力[130]。在經(jīng)典控制理論中,即當時間趨于無窮大時,系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)為零。系統(tǒng)魯棒性指的是系統(tǒng)抵抗擾動的能力,在擾動持續(xù)存在的情況下仍然能夠順利完成驅(qū)動任務(wù)[131]。這種擾動可來自外界環(huán)境與系統(tǒng)的交互,也可來自系統(tǒng)內(nèi)部輸入的非預(yù)期變化,還可從是系統(tǒng)內(nèi)部材料、結(jié)構(gòu)的失效或改變�？傊�,擾動是不可預(yù)期的,但是擾動不至于徹底改變系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。在壓電慣性摩擦驅(qū)動器中,系統(tǒng)擾動的來源主要有:輸入電壓的擾動,驅(qū)動塊與終端輸出器接觸表面之間摩擦力變化、材料的磨損。系統(tǒng)彈恢復(fù)性能是指系統(tǒng)在運行過程中發(fā)生失效(在驅(qū)動器中失效即:驅(qū)動器無法輸出位移)后,系統(tǒng)克服這種失效,恢復(fù)正常工作狀態(tài)的能力[132]。系統(tǒng)魯棒性與彈恢復(fù)性的區(qū)別在于,魯棒性中系統(tǒng)克服的擾動會對系統(tǒng)性能造成不可預(yù)期的影響,但是不至于徹底破壞系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和性能,在驅(qū)動器中表現(xiàn)為系統(tǒng)仍能輸出位移,但是擾動會使輸出位移不可控,或者無法精確控制。而彈恢復(fù)性中,系統(tǒng)需要克服的是系統(tǒng)的完全失效,在驅(qū)動器中表現(xiàn)為驅(qū)動器徹底無法輸出位移。

6.2壓電慣性摩擦驅(qū)動器系統(tǒng)彈依復(fù)性

上一節(jié)中提到,系統(tǒng)彈恢復(fù)性指系統(tǒng)克服由于結(jié)構(gòu)和功能的改變而導(dǎo)致的徹底失效,恢復(fù)正常工作狀態(tài)的能力。在壓電慣性摩擦驅(qū)動器中,導(dǎo)致這種失效的原因來自兩個方面。一種原因是來自外界的干化比如:在驅(qū)動方向上的載荷變動。另一種是來自內(nèi)部的自身結(jié)構(gòu)變化,比如:摩擦表面熱效應(yīng)�，F(xiàn)有文獻中針對外界干擾的控制研究很多,然而目前還沒有針對內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化引起的失效(摩擦表面熱效應(yīng)導(dǎo)致的系統(tǒng)失效)的相關(guān)研究。壓電慣性摩擦驅(qū)動器中摩擦表面熱效應(yīng)這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化引起的失效類似于機械疲勞。這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化溫度升高,摩擦力増加)是隨著時間不斷積累,最終在某個時間點致系統(tǒng)徹底失效。要克服這種失效,提高壓電慣性摩擦驅(qū)動器系統(tǒng)的彈恢復(fù)性能,可有兩種方法。一種是,找到失效原因,在發(fā)生失效之后,對系統(tǒng)進行相應(yīng)調(diào)整,使之恢復(fù)正常工作狀態(tài)。第二種是,對導(dǎo)致失效的因素進行預(yù)測,在發(fā)生失效前,對系統(tǒng)進行調(diào)整,使之一直保持正常工作狀態(tài)。

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第7章總結(jié)與展望

(1)設(shè)計并制造了一個摩擦力驅(qū)動的壓電慣性摩擦驅(qū)動器系統(tǒng),該系統(tǒng)很好的體現(xiàn)了壓電慣性摩擦驅(qū)動器的驅(qū)動原理。而且在該系統(tǒng)中,所有影響驅(qū)動器性能的因素(輸出位移,摩擦面溫度,摩擦面壓為,摩擦面材料)都可以方便地測量,并且可以人為改變,從而為研究這些因素跟驅(qū)動器性能的關(guān)系提供了平臺。除了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計,本章還基于dSPACE系統(tǒng)為壓電慣性摩擦動器系統(tǒng)開發(fā)了一套控制平臺,用于實驗中的輸入波形控制與信號采集。建立了一個全面考慮壓電慣性摩擦驅(qū)動器中所有影響因素的綜合模型。該模型通過簡化Preisadi模型描述壓電驅(qū)動器的遲滯效應(yīng),模型的離散簡化使得模型計算量大大減少,能夠適用于系統(tǒng)控制。通過二階質(zhì)量-彈黃-阻尼系統(tǒng)描述壓電驅(qū)動器與驅(qū)動塊的線性動態(tài)特性。通過修改LuGre模型描述驅(qū)動塊與終端輸出器之間的摩擦力,該修改模型通過赫茲接觸理論,引入終端輸出器質(zhì)量,從而使得摩擦模型能夠準確描述終端輸出器質(zhì)量對系統(tǒng)的影響。通過實驗數(shù)據(jù)建立起了描述壓電慣性摩擦驅(qū)動器熱效應(yīng)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?該模型可以看出,系統(tǒng)驅(qū)動速度隨溫度變化近似于一條二次方程曲線,在25°C到37°時,驅(qū)動器驅(qū)動速度隨溫度變化較小;而當溫度高于37°C時,驅(qū)動器的驅(qū)動速度隨溫度升高明顯増大。最后根據(jù)牛頓定律,將以上子模型結(jié)合為一個綜合模型。

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參考文獻（略）

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本文編號：145910