微纳操作环境下平面3PRR并联定位系统研究

发布时间：2017-09-30 18:36

  本文关键词：微纳操作环境下平面3PRR并联定位系统研究

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【摘要】：微纳操作系统是当今精密操作、精密制造与精密测量技术领域的一个重要发展方向。一般的微纳操作系统包括观测器,定位平台,操作器,控制器等。本文研究的内容是基于电子扫描显微镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)作为观测器的微纳操作系统中的宏动定位平台。为了同时满足微纳操作与宏微结合的要求,本文研究的宏动定位平台选用超声波直线电动机驱动的平面3PRR并联机构,该机构有3个并联支链,每个支链有一个移动副(Prismatic pair,简称P副)驱动,两个从动转动副(Revolute pair,简称R副)。在满足SEM环境无磁场与真空操作要求的同时,通过并联机构优化设计与控制相结合的方法,使宏动平台的定位精度在微动平台的工作空间内,一般是微米级别的定位,以实现宏微结合的目的。本文研究的微纳操作环境下平面3PRR并联定位平台的设计与控制,主要包括如下几个方面的内容。(1)分析并设计平面3PRR并联机构。建立平面3PRR并联机构运动学正、逆解模型,并推导机构的速度雅可比矩阵。结合微纳操作工作空间要求,对平面3PRR并联机构进行工作空间与奇异性分析,得到机构非奇异工作空间分布规律。根据微纳操作精度要求,对平面3PRR并联机构进行参数优化,结合非奇异工作空间约束,优化得到平台运动学设计参数。在此基础上,对平面3PRR并联机构进行动力学建模与分析。建立平面3PRR并联机构动力学模型,通过与软件仿真结果作对比,验证模型正确性。基于建立的动力学模型,分析平台末端动力学特性。最后设计并制造实验样机。(2)研究典型平面并联机构误差传递规律与参数标定方法。首先建立平面3PRR、3RRR并联机构的误差模型,提出一种全局误差灵敏度指标,基于该指标得到两种不同机构的主要误差源,并比较异同。通过比较误差传递矩阵与速度雅可比矩阵发现,速度雅可比矩阵是降维的误差传递矩阵,因此提出一种广义雅可比矩阵定义。研究基于误差模型的参数标定方法,发现此辨识方法只能辨识部分参数,对于平面3RRR并联机构而言,主要误差被辨识;而对于平面3PRR并联机构,主要误差辨识不准确。为了弥补此方法的弊端,在机构本体上设计辅助测量点,通过辅助测量点设计辅助测量手段,结合误差模型辨识方法与辅助测量方法,能提高平面3PRR并联机构的标定精度。(3)研究平面3PRR并联机构奇异特性与奇异位型规避及逃逸方法。并联机构不可避免的出现奇异区域与奇异位型,机构的奇异是影响定位精度的其中一个重要因素。为了提高定位精度和灵巧性,增强机构运动可靠性,提出平面3PRR并联定位平台奇异区域规避与奇异位型逃逸控制方法。在奇异区域规避方面,针对两种不同的情况设计奇异边界规避控制方法与变姿态规避奇异控制方法。在奇异位型逃逸方面,针对机构三种典型的奇异位型,分别设计了逃逸的步骤。(4)研究平面3PRR并联定位平台的驱动与控制。研究驱动关节驱动特性,通过对超声波直线电动机建模与系统辨识,设计定位控制算法。在不考虑静摩擦力死区影响下,采用模型参考自适应(Model Reference Adaptive Control,MRAC)控制算法对关节空间进行定位控制,定位效果与常规算法进行比较。由于均未考虑静摩擦力死区影响,轨迹跟踪误差仍较大。为了进一步提高轨迹跟踪精度,设计摩擦力前馈补偿控制算法与摩擦力自适应补偿控制算法,两种算法均能较好的补偿静摩擦力死区影响,提高轨迹跟踪精度,但是摩擦力前馈补偿控制算法需要预先测量静摩擦力死区大小,使用局限性较大;而摩擦力自适应补偿控制算法能根据广义偏差大小估测静摩擦力死区大小进行自适应补偿,使用面更广。(5)实验研究,首先对超声波直线电动机进行辨识与定位控制实验,然后基于平面3PRR并联机构进行运动学参数标定实验,最后进行平台末端定位控制实验。
【关键词】：微纳操作环境 并联机构 精密定位 自适应控制 超声波直线电动机
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN16;TH703
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-39
• 1.1 研究背景与意义13-19
• 1.2 国内外研究现状综述19-34
• 1.2.1 定位与驱动方式综述19-26
• 1.2.2 并联平台设计分析方法综述26-30
• 1.2.3 并联平台控制方法综述30-34
• 1.3 有待进一步研究和解决的问题34-37
• 1.4 主要研究内容与论文组织结构37-39
• 第二章 平面 3PRR并联平台分析与设计39-71
• 2.1 引言39
• 2.2 平面 3PRR并联平台运动学建模与分析39-51
• 2.2.1 运动学逆解建模与分析39-45
• 2.2.2 平面 3PRR并联机构速度雅可比矩阵45-46
• 2.2.3 运动学正解建模与分析46-51
• 2.3 平面 3PRR并联平台优化设计51-64
• 2.3.1 工作空间分析51-56
• 2.3.2 机构奇异分析56-60
• 2.3.3 机构参数优化60-64
• 2.4 平面 3PRR并联平台刚体动力学建模与分析64-68
• 2.4.1 刚体逆动力学建模64-65
• 2.4.2 动力学模型数值算例与仿真分析65-68
• 2.5 平面 3PRR并联平台样机设计68-69
• 2.6 本章小结69-71
• 第三章 典型平面并联平台误差分析与标定71-91
• 3.1 引言71
• 3.2 平面并联平台误差建模与分析71-85
• 3.2.1 平面并联平台（3PRR与 3RRR）误差建模71-76
• 3.2.2 误差灵敏度分析76-82
• 3.2.3 误差模型与速度雅可比矩阵的关系82-85
• 3.3 平面 3PRR并联平台运动学参数标定方法研究85-90
• 3.3.1 基于误差模型的参数标定方法85-87
• 3.3.2 结合辅助测量的参数标定方法87-90
• 3.4 本章小结90-91
• 第四章 平面 3PRR并联定位平台奇异特性分析与奇异位型规避及逃逸方法研究91-105
• 4.1 引言91
• 4.2 确定参数下的奇异特性与分布规律91-94
• 4.3 奇异区域规避控制方法研究94-99
• 4.3.1 变姿态规避奇异控制方法95-97
• 4.3.2 奇异边界规避控制方法97-99
• 4.4 奇异位型逃逸方法研究99-104
• 4.4.1 奇异位型I逃逸方法99-101
• 4.4.2 奇异位型II逃逸方法101-102
• 4.4.3 奇异位型III逃逸方法102-104
• 4.5 本章小结104-105
• 第五章 平面 3PRR并联平台驱动与控制研究105-137
• 5.1 引言105
• 5.2 驱动关节定位系统建模105-111
• 5.2.1 超声波直线电动机定位平台描述106-107
• 5.2.2 超声波直线电动机定位平台建模107-111
• 5.3 驱动关节定位系统辨识111-117
• 5.3.1 基于频率响应的系统辨识112-113
• 5.3.2 基于最小二乘法的系统辨识113-117
• 5.4 平面 3PRR并联机构独立关节空间控制算法研究117-124
• 5.4.1 积分分离PID定位算法研究117-120
• 5.4.2 模型参考自适应控制（MRAC）定位算法研究120-124
• 5.5 摩擦力补偿定位算法研究124-133
• 5.5.1 静摩擦力对超声波直线电动机精度影响分析124-128
• 5.5.2 摩擦力前馈补偿控制算法研究128-130
• 5.5.3 摩擦力自适应补偿控制算法研究130-133
• 5.6 基于摩擦力自适应补偿的平面 3PRR并联平台半闭环控制133-136
• 5.7 本章小结136-137
• 第六章 实验研究137-169
• 6.1 引言137
• 6.2 独立关节空间定位控制实验137-152
• 6.2.1 积分分离PID控制算法实验140-145
• 6.2.2 模型参考自适应控制（MRAC）算法实验145-148
• 6.2.3 摩擦力前馈补偿控制算法实验148-149
• 6.2.4 摩擦力自适应补偿控制算法实验149-151
• 6.2.5 实验结果对比与分析151-152
• 6.3 运动学参数标定实验152-161
• 6.3.1 结合辅助测量手段的运动学参数标定实验154-161
• 6.3.2 实验结果分析161
• 6.4 平面 3PRR并联平台末端定位控制实验161-167
• 6.4.1 平台末端轨迹跟踪实验161-167
• 6.4.2 实验结果分析167
• 6.5 本章小结167-169
• 总结与展望169-172
• 参考文献172-186
• 攻读博士学位期间取得的研究成果186-188
• 致谢188-189
• 附件189

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本文编号：949828