基于潘式压电马达的毫米行程纳米位移台的研究

发布时间：2020-11-12 07:48

　　 精密定位技术作为微观领域研究的关键技术之一,其技术水平直接影响到微观领域的研究水平。微行程精密定位技术虽然发展得比较成熟,但大行程精密定位技术由于具有更大的定位行程,所以其应用范围更广,也更具有研究意义与价值。本论文旨在设计一套基于潘式压电马达的二维毫米级行程纳米位移台装置,能够实现毫米级行程的纳米级精密定位。论文综合分析了微行程精密定位技术以及大行程精密定位技术的国内外研究现状,描述了潘式压电马达的步进原理,基于该原理设计了二维毫米级行程的纳米位移台的总体机械机构,基于直流放大式电压驱动方法,采用OP07和PA85放大器芯片设计了用于驱动压电陶瓷叠堆的电压放大电路,采用VC++编写MFC软件实现凌华PCI 6216V型模拟输出卡输出电压的可编程控制以及安捷伦N1231B型激光干涉仪测量板卡的数据读取及保存,设计了基于外差激光干涉测量原理的微位移测量系统,结合压电电压放大电路及MFC软件构建了压电陶瓷叠堆及纳米位移台的微位移测控系统,提出了一种多项式拟合及插值拟合相结合的压电陶瓷非线性修正方法,进行了纳米位移台性能测试实验。为了验证本论文设计的纳米位移台机械结构、压电电压放大电路、上位机软件以及提出的压电陶瓷非线性修正方法,对各个部分以及纳米位移台整体性能进行了仿真或实验验证,分别进行了如下实验:(1)光滑支撑块以及磁性座机械设计的仿真实验,仿真结果表明,采用石英窗口镜作为光滑支撑块时纳米位移台的稳定性比采用石英平凸透镜时好,磁性座的设计能使磁铁的磁力增强。(2)压电电压放大电路噪声和阶跃响应测试实验,实验结果表明,该电路的最大噪声为66 mV,该噪声引起的位移波动为0.7 nm,该电路的最大电压阶跃响应时间为40μs,能够满足纳米位移台的频率要求。(3)上位机软件性能验证实验,实验结果表明,所编写的程序能够输出纳米位移台步进所需的电压信号。(4)压电陶瓷叠堆不良特性检测及非线性修正实验,实验结果表明,该非线性修正方法能够使非线性误差降低89%。(5)纳米位移台测量装置的测量稳定性实验,实验结果表明,该装置X方向的测量稳定性为±10 nm,Y方向的测量稳定性为±25 nm。(6)纳米位移台性能验证实验,实验结果表明,纳米位移台单次步进时会产生100 nm左右的损耗,该损耗与所受摩擦力的大小有关;X方向单次步进1000 nm时Y方向的耦合位移为20 nm,Y方向单次步进1000 nm时X方向的耦合位移为50 nm;X、Y方向多次步进具有良好的重复性,均能达到毫米级定位行程。
【学位单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH703
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 精密定位技术
    1.2 精密定位技术研究现状
        1.2.1 微行程精密定位技术研究现状
        1.2.2 大行程精密定位技术研究现状
    1.3 论文的研究内容及组织结构
第二章 XY向纳米位移台机械结构设计
    2.1 XY向纳米位移台机械结构总体设计
        2.1.1 潘式压电马达步进原理
        2.1.2 XY向纳米位移台机械结构总体设计
    2.2 压电陶瓷
        2.2.1 压电效应
        2.2.2 叠堆型压电陶瓷
    2.3 粘贴板的设计
    2.4 光滑支撑块的设计
    2.5 磁性座的设计
    2.6 本章小结
第三章 压电电压放大电路设计及上位机软件编程
    3.1 压电陶瓷驱动方法
        3.1.1 电压驱动方法
        3.1.2 电流驱动方法
    3.2 压电电压放大电路设计
        3.2.1 集成运算放大器的选用
        3.2.2 相位补偿
        3.2.3 输入输出保护电路
    3.3 压电电压放大电路测试
        3.3.1 压电电压放大电路的噪声测试
        3.3.2 压电电压放大电路的阶跃响应测试
    3.4 上位机软件编程
        3.4.1 安捷伦N1231B激光干涉仪信号处理卡
        3.4.2 凌华PCI 6216V模拟输出卡
        3.4.3 位移台步进软件设计
        3.4.4 位移台步进软件测试
    3.5 本章小结
第四章 压电陶瓷叠堆特性检测及非线性修正
    4.1 激光外差干涉测量法
    4.2 剪切压电陶瓷叠堆微位移测量系统
    4.3 剪切压电陶瓷叠堆特性检测实验
        4.3.1 迟滞非线性特性检测
        4.3.2 蠕变特性检测
    4.4 剪切压电陶瓷块迟滞非线性修正
    4.5 本章小结
第五章 纳米位移台构建及实验验证
    5.1 纳米位移台的构建
    5.2 纳米位移台测控系统
    5.3 纳米位移台单次步进实验
        5.3.1 X方向单次步进实验
        5.3.2 Y方向单次步进实验
        5.3.3 纳米位移台耦合误差实验
    5.4 纳米位移台 1 mm步进实验
    5.5 本章小结
第六章 总结和展望
    6.1 论文总结
    6.2 论文展望
参考文献
发表的学术论文
致谢

【参考文献】

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本文编号：2880482