气动波纹管驱动超精密二维定位平台的关键技术研究

发布时间：2020-11-04 19:50

　　 超精密定位是精密加工一项关键技术,在光刻技术、IT制造业、微观世界扫描成像等方面均发挥着重要的作用,对一个国家的高端制造水平影响重大。对二维超精密定位平台以及对其控制算法的深入研究,有着极其重要的实际意义。为实现超精密定位的目的,满足大行程与超精密同时兼顾的要求,体现新型气动执行器的优势,本课题设计了新型气动二维超精密伺服平台。平台由金属波纹管直接驱动,高精密光栅尺作为平台的反馈元件测量实际位移,采用气浮导轨支撑整个位移平台,设计高精度位置伺服输出反馈控制算法,以提高系统伺服跟踪精度。实验结果表明,该控制方案定位精度小于±0.3μm。第一章介绍了超精密定位平台的研究背景,详细分析了超精密二维平台、气动伺服系统控制策略和波纹管执行器的国内外研究现状,最后提出本文研究意义与主要研究内容。第二章阐述了二维超精密定位平台系统的总体设计方案。设计了平台的下位机控制系统,以及基于LabVIEW的上位机人机交互界面。第三章以气动波纹管为研究对象,通过理论分析和实验研究,建立了单轴气动波纹管伺服非线性数学模型。随后,结合二维平台机械结构,建立超精密平台气动系统的完整二维非线性数学模型。最后通过一个数值仿真,验证了本章所建立数学模型的有效性。第四章设计一种自抗扰框架下的变结构滑模输出反馈控制方案,为满足滑模匹配条件,对第三章提出的数学模型进行了坐标变换。通过Lyapunov函数对所设计的控制器与观测器分别进行了稳定性分析,最后进行了数值仿真验证。第五章,考虑实际系统与工作环境,针对第四章所设计控制器的缺陷,设计了一种高精度的自适应输出反馈递归滑模控制方案,并且用Lyapunov函数理论论证了气动波纹管伺服系统闭环系统全局稳定,跟踪误差的收敛性和跟踪误差的L_?性能。最后分别通过数值仿真与实验验证了控制方案的有效性。第六章,对所做的研究内容作出全面的总结,阐明有关的研究结论,并提出了下一步的研究方向。
【学位单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH703
【部分图文】：

青 岛 理 工 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文驱动根大学 Gaurav Parmar 等人[9]设计了一种如图 1.1 所示位平台，结合前馈补偿和线性反馈设计了一种 P 形串位行程 8mm，定位精度 10nm，但是其速度可以达到

压电材料直接驱动平台

青 岛 理 工 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文4平台的运动跟踪精度达到0.028mm，定位精度达到4μm，其实物图如图1.3所示。图 1.2 压电材料直接驱动平台 图 1.3 直线电机驱动平台Fig.1.2 Drive platform for piezoelectric materials Fig.1.3 Drive platform of linear motor尽管定位平台机械部件的精度已经很高，甚至做到了极限值，但有依旧无法达到定位平台对精度的需求。所以还要考虑定位平台的整个有机体，分析造成误差的各种原因，采用控制算法对误差进行有效的补偿。3. 平台直线导向技术直线导轨在定位平台中起到承载平台和导向的作用，决定着定位工作台的导向精度、运动轨迹，直接影响平台的定位精密度。在超精密定位领域，滚动导轨和静压导轨应用最为广泛。（1）滚动导轨滚动导轨是在两导轨面之间放入滚珠、滚柱、滚针等滚动体，使导轨运动处于滚动摩擦状态。滚动引导摩擦系数小，能轻易达到微米级定位精度。国立台北科技大学 Chih-Jer Lin 等人[14]用滚动导轨支撑
【参考文献】

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1 罗华云;侯敏杰;王月贵;叶巍;刘志刚;;金属波形膨胀节在六分量天平中的试验[J];航空动力学报;2013年04期

2 张刚;刘品宽;张波;丁汉;;直线电机精密运动平台轨迹跟踪控制器设计[J];光学精密工程;2013年02期

3 张金龙;刘阳;郭怡倩;刘京南;内田敬久;;纳米级超精密定位工作台的研究[J];机械工程学报;2011年09期

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本文编号：2870529