多尺度微-納米定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析及試驗(yàn)研究.pdf

1、隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，高精密的定位精度已從毫米(mm)級(jí)、微米(μm)級(jí)向納米(nm)級(jí)發(fā)展，微機(jī)器人、MEMS系統(tǒng)、光學(xué)精密工程、航空航天及生物醫(yī)療等高精密領(lǐng)域，迫切需要多尺度、多自由度、nm級(jí)定位精度、毫秒(ms)級(jí)定位速度的微/納米級(jí)定位系統(tǒng)。傳統(tǒng)的機(jī)械式定位系統(tǒng)，由于存在機(jī)械間隙、摩擦，定位精度最高為2μm。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的定位系統(tǒng)不僅具有nm級(jí)定位精度、ms級(jí)定位速度，且結(jié)構(gòu)緊湊、易于控制，已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，美國(guó)、日本、

2、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，但其定位行程局限于μm級(jí)。因此，開(kāi)展nm級(jí)、μm級(jí)、mm級(jí)定位的多尺度定位系統(tǒng)，對(duì)提高我國(guó)微/納加工、裝配、測(cè)量等技術(shù)水平，具有十分重要的研究意義。
　　本文圍繞多尺度、多自由度微/納定位的設(shè)計(jì)目標(biāo)，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)出了5自由度微/納米級(jí)定位系統(tǒng)(發(fā)明專(zhuān)利號(hào)：201010101175.3)，針對(duì)該定位系統(tǒng)，開(kāi)展了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、靜動(dòng)態(tài)分析、控制、試驗(yàn)及綜合評(píng)價(jià)等研究。本文的主要研究工作如下：
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3、應(yīng)用柔性機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械原理、創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等理論，研究了定位系統(tǒng)的方案、組成及工作原理，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了并研制出了5自由度微/納米級(jí)定位系統(tǒng)。應(yīng)用材料力學(xué)和偽剛體模型法，推導(dǎo)了定位系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能的解析式，建立了其總性能的優(yōu)化模型，并對(duì)定位平臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　?、趹?yīng)用機(jī)構(gòu)分析與空間解析法，建立了定位系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，推導(dǎo)了該定位系統(tǒng)的正、逆解，揭示了其變形協(xié)調(diào)及控制規(guī)律；應(yīng)用偽剛體模型法和結(jié)構(gòu)矩陣法，建立了該定位系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)

4、模型，推導(dǎo)了系統(tǒng)定位的總傳遞函數(shù)。利用ANSYS、Matlab其進(jìn)行了靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真，分別獲得了變形、應(yīng)力、剛度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等靜、動(dòng)態(tài)特性。
　?、蹜?yīng)用工程控制原理和Matlab/Simulink，仿真得到了開(kāi)環(huán)、PID與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制下定位系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對(duì)比分析了三種控制方法的動(dòng)態(tài)特性，得出了最優(yōu)控制方法。研究了三維整體式定位平臺(tái)的加工工藝，提出了5自由度微/納米級(jí)定位平臺(tái)的加工方法，并研制了樣機(jī)。
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