垂直軸宏微復(fù)合二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及直線度誤差補(bǔ)償技術(shù)的研究.pdf

1、微納技術(shù)的發(fā)展對(duì)精密定位平臺(tái)提出了更高的要求，但即使是超精密機(jī)械，在生產(chǎn)過(guò)程中也不可避免的存在制造誤差、安裝誤差等幾何誤差，傳統(tǒng)設(shè)備加工精度之所以受限，跟設(shè)備本身的幾何誤差大有直接關(guān)系。直線度誤差是重要的幾何誤差之一，普通導(dǎo)軌直線度誤差無(wú)法補(bǔ)償，只能通過(guò)精密加工手段或者綜合誤差補(bǔ)償手段來(lái)改善。本文提出了一種可以進(jìn)行直線度誤差補(bǔ)償?shù)拇怪陛S宏微復(fù)合平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模及仿真分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，基于正交試驗(yàn)和回歸分

2、析得到了微動(dòng)臺(tái)的位移輸出前饋控制函數(shù)，開(kāi)發(fā)了直線度誤差補(bǔ)償軟件，基于實(shí)驗(yàn)研究綜合評(píng)價(jià)了宏微復(fù)合平臺(tái)的性能，首次利用垂直軸宏微復(fù)合平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了普通線性導(dǎo)軌的直線度誤差補(bǔ)償。
　　首先本文創(chuàng)新性的提出了一種垂直軸宏微復(fù)合二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，即微動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向與宏動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向（宏動(dòng)臺(tái)導(dǎo)軌方向）相互垂直。為了提高平臺(tái)的承載能力，減小平臺(tái)的位移耦合，設(shè)計(jì)了承載能力較大的雙柔性平行六連桿微動(dòng)臺(tái)。將雙驅(qū)動(dòng)的宏微復(fù)合平臺(tái)簡(jiǎn)化為質(zhì)量-彈簧-阻尼

3、組成的二階系統(tǒng)，進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)平臺(tái)階躍響應(yīng)進(jìn)行了仿真分析，得到了系統(tǒng)優(yōu)化配置方案:固有頻率高、阻尼小，使系統(tǒng)的超調(diào)量降低，動(dòng)態(tài)跟蹤能力增強(qiáng)。
　　其次對(duì)具有大承載力的雙柔性平行六連桿微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)建模及優(yōu)化設(shè)計(jì)。推導(dǎo)了微動(dòng)臺(tái)靜態(tài)剛度模型，建立了轉(zhuǎn)角剛度及最大應(yīng)力校核模型;基于拉格朗日方程建立了平臺(tái)在其運(yùn)動(dòng)方向上的固有頻率解析式?；陟o動(dòng)態(tài)性能平衡的原理，采用歸一化坐標(biāo)的方式，得到了微動(dòng)臺(tái)的優(yōu)化參數(shù)。微動(dòng)承載平臺(tái)

4、采用底部挖空和加強(qiáng)筋結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式使微動(dòng)臺(tái)的穩(wěn)態(tài)時(shí)間由0.80s提高到了0.58s。采用所建立的剛度及固有頻率模型計(jì)算得到微動(dòng)臺(tái)在其運(yùn)動(dòng)方向上的理論剛度為7.92N/μm，理論固有頻率為349.9Hz。
　　對(duì)所建立的微動(dòng)平臺(tái)位移輸出前饋控制函數(shù)進(jìn)行了研究。對(duì)空載壓電陶瓷進(jìn)行了性能測(cè)試，結(jié)果表明微動(dòng)臺(tái)的遲滯非線性隨著滿程電壓的增大而增大，遲滯最大現(xiàn)象發(fā)生在比二分之一滿程電壓小的地方，而非線性位移偏離最大值也主要發(fā)生在滿程電壓的二分

5、之一處。設(shè)計(jì)了微動(dòng)臺(tái)位移輸出的正交試驗(yàn)，得到了因素水平為輸入電壓和預(yù)緊力的各五個(gè)水平數(shù)值下的正向和反向輸出位移數(shù)表。對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析，得到了微動(dòng)臺(tái)位移輸出的二元多次函數(shù)，并選擇了最優(yōu)的含有交叉項(xiàng)的二元二次函數(shù)作為微動(dòng)臺(tái)位移輸出的前饋控制函數(shù)，對(duì)預(yù)緊力為60N的正向電壓及反向電壓控制函數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了理論與實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖。
　　然后對(duì)所搭建的宏微復(fù)合平臺(tái)的宏動(dòng)臺(tái)直線度誤差進(jìn)行了測(cè)試，并設(shè)計(jì)了誤差補(bǔ)償控制軟件?；诤陝?dòng)

6、臺(tái)的PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡、激光干涉儀搭建了宏動(dòng)臺(tái)直線度誤差辨識(shí)系統(tǒng)，對(duì)宏動(dòng)臺(tái)在200mm行程上間隔為2mm的101個(gè)點(diǎn)的直線度誤差值進(jìn)行了測(cè)試，基于最小二乘法得到了補(bǔ)償前導(dǎo)軌直線度誤差為25.32μm，并根據(jù)理想直線位置分析得到了宏動(dòng)臺(tái)誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)表?；赩isual C++對(duì)壓電陶瓷控制軟件進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，添加了可讀入文件功能，利用回歸分析得到的位移控制函數(shù)優(yōu)化了軟件位移控制算法，為直線度誤差補(bǔ)償?shù)於嘶A(chǔ)。
　　最后對(duì)微動(dòng)臺(tái)性

7、能和直線度誤差補(bǔ)償進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。微動(dòng)臺(tái)位移輸出實(shí)驗(yàn)表明微動(dòng)臺(tái)具有良好的動(dòng)態(tài)跟蹤性能，低頻輸出位移可達(dá)56.59μm，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。采用三種方法（壓電陶瓷和力傳感器的方式、基于鋼制桿件的方式、基于創(chuàng)新設(shè)計(jì)的直接施力裝置）對(duì)微動(dòng)臺(tái)剛度及其線性度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，表明采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)的微動(dòng)臺(tái)直接施力裝置測(cè)得的微動(dòng)臺(tái)上升力剛度為7.43N/μm，下降力剛度為7.42 N/μm，與理論計(jì)算的誤差為6.6％，誤差最小，而力上升過(guò)程的剛度和力下降過(guò)程

8、的剛度曲線基本重合，表明所設(shè)計(jì)的微動(dòng)臺(tái)剛度線性度較好。微動(dòng)臺(tái)承載能力實(shí)驗(yàn)表明不均勻加載對(duì)位移輸出影響更大。POLYTECH激光多普勒測(cè)振儀測(cè)得的微動(dòng)臺(tái)在其運(yùn)動(dòng)方向上的固有頻率為342.2Hz，與理論計(jì)算的誤差值為2.3％。采用垂直軸宏微復(fù)合平臺(tái)對(duì)直線度誤差進(jìn)行了補(bǔ)償，測(cè)試結(jié)果表明200mm長(zhǎng)的導(dǎo)軌補(bǔ)償后直線度誤差可達(dá)4.40μm，與補(bǔ)償前的直線度誤差相比減小了20.91μm，補(bǔ)償有效率為83％，表明本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)的垂直軸宏微復(fù)合平臺(tái)結(jié)構(gòu)和