压电微动平台的极点配置PID控制

为提高压电微动平台的位移输出精度,设计极点配置比例、积分、微分(PID)控制器对其进行控制。首先,在对压电执行器进行电学特性、机电特性分析的基础上,建立了压电执行器的数学模型;其次,在对平台进行受力分析、运动分析的基础上,建立了平台的动力学模型;然后,在保持平台极点虚部不变,且将系统闭环阻尼比取为1的情况下,将平台极点沿着平行于实轴的方向平移,设计出平台的PID反馈控制器;最后,实验验证了所设计控制器的有效性。实验结果表明,所设计的控制器可使平台具有较快的响应,在不考虑传感器噪声水平的情况下,平台在控制系统作用下的定位误差基本为0。     

基于螺旋扫描的表面三维形貌快速测量

为实现精密表面三维形貌的快速测量,提出一种螺旋式扫描测量方法.首先,基于x、y、z向直线运动平台、DD马达旋转平台以及激光位移传感器,搭建三维形貌测量系统,其中被测试件表面形貌的平面位置信息通过x向平台与DD马达同步运动所形成的螺旋扫描运动来获得,被测试件表面形貌的高度信息由激光位移传感器来获得;然后,基于所搭建的测量系统,对表面形貌为凸凹扇形的圆形试件的表面进行测量.结果表明:测量直径为15 mm的圆形区域所用的时间为420 s,能较好地实现被测试件表面形貌的快速测量.     

基于钝化微分的压电微动平台PID控制

为避免压电微动平台在工作过程中受到扰动或冲击,采用改进比例、积分、微分(PID)控制器对其进行控制。首先,在平台的PID控制器中引入低通滤波器,以降低微分环节对扰动或冲击的敏感性(即使微分环节对扰动或冲击产生钝化效应),进而设计出了压电微动平台的改进PID控制器;接着,基于所搭建的压电微动平台位移测量系统,实验验证了所设计的钝化微分PID控制器的效果。实验结果表明,在钝化微分PID控制作用下,平台具有较快的响应,达到5μm阶跃目标的响应时间为0.3s,无超调;平台的定位误差显著减小,在跟踪最大值为15.25μm的变幅值三角波时,定位误差中线由无控制时的-0.7～1.2μm减小为-0.1～0.1μm。     

压电微夹钳的迟滞及蠕变补偿

为提高压电微夹钳的操作精度,对其迟滞及蠕变误差进行补偿。基于压电材料迟滞曲线的非对称性,为提高微夹钳迟滞模型的精度,采用升回程分别建模的方法,建立了微夹钳的Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型,对迟滞误差进行了补偿。在综合考虑模型简单且具有较高精度的前提下,采用二阶惯性环节建立了微夹钳的蠕变模型,设计出无需求蠕变逆模型的补偿器,对蠕变误差进行了补偿。实验结果表明,在最大位移为120μm时,钳指位移的迟滞误差由补偿前的-11.8～10.7μm减小为-1.7～1.0μm;在900 s作用时间内,钳指位移的蠕变由补偿前的4μm几乎减小为0。     

基于结构一体化的压电尺蠖直线电机设计

为使装配与调节过程易于实现,基于结构一体化思想设计了压电尺蠖直线电机。首先,采用三角放大结构对箝位机构进行了设计,并采用柔性薄板和柔性折叠梁对驱动机构进行了设计,所设计电机的箝位机构与驱动机构被集成为一体,可降低对机体加工与装配的精度要求;其次,采用有限元法对电机的位移放大倍数、应力与模态进行了分析;最后对电机的静、动态特性分别进行了测试。结果表明,电机位移具有良好的线性,最大单步位移为8.24μm,电机的分辨率为10 nm,最大运动速度为0.17 mm/s。     

两平动一转动三维并联压电微动平台的设计

为提高微定位系统的灵敏性,设计了三自由度并联压电微定位系统的新构型。首先,在考虑平台结构具有对称性的基础上,采用双平行四连杆机构对台体进行设计,并设计了可集成于台体的承载模块及传感器安装模块;接着,采用有限元法对平台的位移、应力、刚度及模态进行了分析;最后,基于所搭建的实验系统,对平台的位移及频率响应特性进行了测试。实验结果表明,在120V电压的作用下,平台沿x向的最大位移为26.0μm(此时沿y向产生的寄生位移为141.0nm),沿y向的最大位移为25.9μm(此时沿x向产生的寄生位移为39.7nm),绕z轴的最大转角为210μrad;平台x、y向的位移分辨率均为6.5nm;平台x、y、θz向的固有频率分别为328.0Hz、481.3Hz、402.8Hz。