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多尺度微/纳米定位系统的设计、分析及试验研究

作　者: 俞松松
导　师: 林超
学　校: 重庆大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 压电陶瓷驱动器(PZT) 微/纳米定位系统静、动态特性分析试验研究
分类号: TH703
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着纳米技术的不断发展,高精密的定位精度已从毫米(mm)级、微米(μm)级向纳米(nm)级发展,微机器人、MEMS系统、光学精密工程、航空航天及生物医疗等高精密领域,迫切需要多尺度、多自由度、nm级定位精度、毫秒(ms)级定位速度的微/纳米级定位系统。传统的机械式定位系统,由于存在机械间隙、摩擦,定位精度最高为2μm。压电陶瓷驱动的定位系统不仅具有nm级定位精度、ms级定位速度,且结构紧凑、易于控制,已成为国内外的研究热点,美国、日本、德国等发达国家对其进行了深入的研究,但其定位行程局限于μm级。因此,开展nm级、μm级、mm级定位的多尺度定位系统,对提高我国微/纳加工、装配、测量等技术水平,具有十分重要的研究意义。本文围绕多尺度、多自由度微/纳定位的设计目标,创新性地设计出了5自由度微/纳米级定位系统(发明专利号:201010101175.3),针对该定位系统,开展了结构设计、静动态分析、控制、试验及综合评价等研究。本文的主要研究工作如下:①应用柔性机构学、机械原理、创新机构设计等理论,研究了定位系统的方案、组成及工作原理,创新性地设计了并研制出了5自由度微/纳米级定位系统。应用材料力学和伪刚体模型法,推导了定位系统的静、动态性能的解析式,建立了其总性能的优化模型,并对定位平台的结构进行了优化设计。②应用机构分析与空间解析法,建立了定位系统的运动学模型,推导了该定位系统的正、逆解,揭示了其变形协调及控制规律;应用伪刚体模型法和结构矩阵法,建立了该定位系统的动力学模型,推导了系统定位的总传递函数。利用ANSYS、Matlab其进行了静力学、动力学仿真,分别获得了变形、应力、刚度、动态响应等静、动态特性。③应用工程控制原理和Matlab/Simulink,仿真得到了开环、PID与BP神经网络PID控制下定位系统的动态响应,对比分析了三种控制方法的动态特性,得出了最优控制方法。研究了三维整体式定位平台的加工工艺,提出了5自由度微/纳米级定位平台的加工方法,并研制了样机。④搭建了该定位系统的试验装置,对其空间行程、定位精度、线性度、动态响应、承载能力等进行了试验,实现了多尺度的微/纳米级定位,达到了预期的设计目标,并对5自由度微/纳米级定位系统的性能进行了综合评价,得到了定位系统的各项性能指标。

多尺度微/纳米定位系统的设计、分析及试验研究

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