垂直軸宏微復合二維運動平臺及直線度誤差補償技術的研究.pdf

1、微納技術的發(fā)展對精密定位平臺提出了更高的要求，但即使是超精密機械，在生產過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)設備加工精度之所以受限，跟設備本身的幾何誤差大有直接關系。直線度誤差是重要的幾何誤差之一，普通導軌直線度誤差無法補償，只能通過精密加工手段或者綜合誤差補償手段來改善。本文提出了一種可以進行直線度誤差補償的垂直軸宏微復合平臺的設計方案，對其進行了動力學建模及仿真分析，并對其結構參數進行了優(yōu)化，基于正交試驗和回歸分

2、析得到了微動臺的位移輸出前饋控制函數，開發(fā)了直線度誤差補償軟件，基于實驗研究綜合評價了宏微復合平臺的性能，首次利用垂直軸宏微復合平臺實現了普通線性導軌的直線度誤差補償。
　　首先本文創(chuàng)新性的提出了一種垂直軸宏微復合二維運動平臺的設計方案，即微動臺的運動方向與宏動臺的運動方向（宏動臺導軌方向）相互垂直。為了提高平臺的承載能力，減小平臺的位移耦合，設計了承載能力較大的雙柔性平行六連桿微動臺。將雙驅動的宏微復合平臺簡化為質量-彈簧-阻尼

3、組成的二階系統(tǒng)，進行了動力學分析，對平臺階躍響應進行了仿真分析，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)的超調量降低，動態(tài)跟蹤能力增強。
　　其次對具有大承載力的雙柔性平行六連桿微動平臺進行了靜力學、動力學建模及優(yōu)化設計。推導了微動臺靜態(tài)剛度模型，建立了轉角剛度及最大應力校核模型;基于拉格朗日方程建立了平臺在其運動方向上的固有頻率解析式?；陟o動態(tài)性能平衡的原理，采用歸一化坐標的方式，得到了微動臺的優(yōu)化參數。微動承載平臺

4、采用底部挖空和加強筋結合的結構形式使微動臺的穩(wěn)態(tài)時間由0.80s提高到了0.58s。采用所建立的剛度及固有頻率模型計算得到微動臺在其運動方向上的理論剛度為7.92N/μm，理論固有頻率為349.9Hz。
　　對所建立的微動平臺位移輸出前饋控制函數進行了研究。對空載壓電陶瓷進行了性能測試，結果表明微動臺的遲滯非線性隨著滿程電壓的增大而增大，遲滯最大現象發(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。設計了微動臺位移輸出的正交試驗，得到了因素水平為輸入電壓和預緊力的各五個水平數值下的正向和反向輸出位移數表。對正交試驗數據進行了回歸分析，得到了微動臺位移輸出的二元多次函數，并選擇了最優(yōu)的含有交叉項的二元二次函數作為微動臺位移輸出的前饋控制函數，對預緊力為60N的正向電壓及反向電壓控制函數進行了實驗研究，得到了理論與實驗對比圖。
　　然后對所搭建的宏微復合平臺的宏動臺直線度誤差進行了測試，并設計了誤差補償控制軟件?；诤陝?/p>

6、臺的PMAC運動控制卡、激光干涉儀搭建了宏動臺直線度誤差辨識系統(tǒng)，對宏動臺在200mm行程上間隔為2mm的101個點的直線度誤差值進行了測試，基于最小二乘法得到了補償前導軌直線度誤差為25.32μm，并根據理想直線位置分析得到了宏動臺誤差補償的數據表?；赩isual C++對壓電陶瓷控制軟件進行了二次開發(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優(yōu)化了軟件位移控制算法，為直線度誤差補償奠定了基礎。
　　最后對微動臺性

7、能和直線度誤差補償進行了實驗研究。微動臺位移輸出實驗表明微動臺具有良好的動態(tài)跟蹤性能，低頻輸出位移可達56.59μm，能夠達到設計要求。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)新設計的直接施力裝置）對微動臺剛度及其線性度進行了實驗研究，表明采用創(chuàng)新設計的微動臺直接施力裝置測得的微動臺上升力剛度為7.43N/μm，下降力剛度為7.42 N/μm，與理論計算的誤差為6.6％，誤差最小，而力上升過程的剛度和力下降過程

8、的剛度曲線基本重合，表明所設計的微動臺剛度線性度較好。微動臺承載能力實驗表明不均勻加載對位移輸出影響更大。POLYTECH激光多普勒測振儀測得的微動臺在其運動方向上的固有頻率為342.2Hz，與理論計算的誤差值為2.3％。采用垂直軸宏微復合平臺對直線度誤差進行了補償，測試結果表明200mm長的導軌補償后直線度誤差可達4.40μm，與補償前的直線度誤差相比減小了20.91μm，補償有效率為83％，表明本文創(chuàng)新設計的垂直軸宏微復合平臺結構和