基于壓電疊堆的大力矩微位移平臺(tái)研究.pdf

1、作為精密工程和精密儀器關(guān)鍵技術(shù)之一的高精度微位移技術(shù)在大規(guī)模集成電路的制造與檢測(cè)、生物芯片技術(shù)、納米技術(shù)、光學(xué)組件定位、光纖對(duì)接、微電子產(chǎn)品制造、精密和超精密加工、精密操作、精密測(cè)量、生物醫(yī)學(xué)工程、材料表面原子結(jié)構(gòu)分析等許多尖端領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。微位移定位技術(shù)的發(fā)展與國(guó)家在國(guó)防軍工和國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的進(jìn)步息息相關(guān)，它的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是各國(guó)高科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志。隨著微電子技術(shù)、通訊技術(shù)和超精密加工等技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)精密定位技術(shù)的要求越

2、來(lái)越高，有些應(yīng)用領(lǐng)域要求系統(tǒng)具有納米級(jí)的分辨率，亞微米甚至納米級(jí)的重復(fù)定位精度。因此，微位移工作平臺(tái)被要求具有大行程、高精度、小體積和快速響應(yīng)等技術(shù)要求。
　　論文首先，對(duì)課題研究的重要性和意義進(jìn)行闡述，并對(duì)微位移平臺(tái)的構(gòu)成、國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，以及論文的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行介紹。
　　其次，介紹了壓電材料的壓電效應(yīng)與壓電方程、壓電陶瓷的參數(shù)特性和壓電疊堆的工作原理和基本特性。對(duì)有限元分析方法進(jìn)行了闡述，并在此基礎(chǔ)上，利用有限元分析軟

3、件ANSYS對(duì)壓電疊堆進(jìn)行建模，對(duì)其位移輸出特進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在一定條件下，壓電疊堆的輸出位移與所施加的電壓呈良好的線性關(guān)系，且一定長(zhǎng)度的壓電疊堆，壓電陶瓷片越薄，輸出位移越大。
　　第三，針對(duì)壓電疊堆位移輸出量小的特點(diǎn)，提出了位移放大機(jī)構(gòu)方案，設(shè)計(jì)了基于正交三角放大原理的壓電疊堆鈸型位移放大致動(dòng)器。介紹了放大機(jī)構(gòu)的工作原理。運(yùn)用靜力學(xué)分析方法和能量法，對(duì)位移放大機(jī)構(gòu)的工作特性進(jìn)行計(jì)算分析;運(yùn)用ANSYS有限元軟件，對(duì)位移放

4、大機(jī)構(gòu)從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面進(jìn)行計(jì)算分析。對(duì)位移放大致動(dòng)器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試分析。理論分析和實(shí)際測(cè)試都證明基于正交三角放大原理設(shè)計(jì)并制造的壓電疊堆位移放大致動(dòng)器不僅能提供較大的輸出位移和輸出力矩，而且具有優(yōu)秀的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，完全能用作微位移平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)器。
　　第四，利用壓電疊堆和三角放大原理設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)高精度、大力矩、響應(yīng)快速的微位移平臺(tái)。利用有限元分析了這一平臺(tái)的位移和應(yīng)力變化情況，以及平臺(tái)的振動(dòng)模態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)，

5、運(yùn)用激光測(cè)試的方式，對(duì)這個(gè)平臺(tái)的特性進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)靜態(tài)特性測(cè)試和動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，可以看出這個(gè)微位移平臺(tái)能穩(wěn)定快速地輸出較大位移。針對(duì)在特性測(cè)試中，壓電材料的滯后和蠕動(dòng)特性提出有效的控制方式，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的定位。運(yùn)用LabVIEW對(duì)基于壓電疊堆微位移平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。分別對(duì)開(kāi)環(huán)控制、增量型PID的閉環(huán)控制和基于MatLab實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID閉環(huán)控制三種定位控制策略進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析。
　　最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比開(kāi)環(huán)控制，P

6、ID的閉環(huán)控制在不影響微位移平臺(tái)響應(yīng)速度的基礎(chǔ)上，克服了壓電材料的滯后和蠕變影響，因此定位的精度和準(zhǔn)確性都能得到很好的保證。而基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID參數(shù)自整定可以避免人工參數(shù)整定的繁瑣和不及時(shí)，進(jìn)一步提高了這一微位移平臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)用性和定位的準(zhǔn)確快速性，值得進(jìn)一步在實(shí)際中進(jìn)行開(kāi)發(fā)應(yīng)用。
　　論文從微位移平臺(tái)的構(gòu)成出發(fā)，從壓電疊堆，到基于三角放大原理的鈸型位移致動(dòng)器，再到微位移平臺(tái)，從理論分析、樣機(jī)制作和實(shí)驗(yàn)測(cè)試等多反面多角度對(duì)微