基于GMA的二自由度精密微定位平臺(tái)及控制系統(tǒng)研究.pdf

1、精密定位技術(shù)是國(guó)家制造水平的重要標(biāo)志，是國(guó)家先進(jìn)制造技術(shù)的主要支柱，同時(shí)還是精密驅(qū)動(dòng)、精密測(cè)量、精密加工中的關(guān)鍵技術(shù)之一。精密定位系統(tǒng)是精密定位技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的載體，研究提高精密定位系統(tǒng)性能的方式，為研發(fā)高性能精密加工裝備，實(shí)現(xiàn)高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備的發(fā)展目標(biāo)，實(shí)施《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略均具有重大意義。
　　針對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的精密定位平臺(tái)存有行程短、負(fù)載小、驅(qū)動(dòng)電壓高等問題，論文基于超磁致伸縮材料(Giant Magnetos

2、trictive Material，簡(jiǎn)寫為GMM)設(shè)計(jì)出一種精密定位平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并結(jié)合設(shè)計(jì)的柔性鉸鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和開發(fā)的控制系統(tǒng)，研制出一種高性能的精密定位系統(tǒng)。采用理論建模、電磁場(chǎng)仿真、靜、動(dòng)力學(xué)有限元計(jì)算、數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法對(duì)所研制的精密定位系統(tǒng)進(jìn)行深入研究?；赟toner-Wohlfarth模型的自由能能量極小原理，建立了GMM單磁疇自由能的極值數(shù)學(xué)模型，得出了外加應(yīng)力和外加磁場(chǎng)作用下磁疇偏轉(zhuǎn)角度的變化規(guī)律，揭示了G

3、MM的磁致伸縮機(jī)理。提出了基于GMM的大推力驅(qū)動(dòng)器的新結(jié)構(gòu)和基于柔性鉸鏈的精密傳動(dòng)新機(jī)構(gòu)，確定了具體的設(shè)計(jì)尺寸。建立了精密定位平臺(tái)的輸出模型，引入了一種粒子群和人工魚群混合的模型參數(shù)辨識(shí)算法。構(gòu)建了控制系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)，采用動(dòng)態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Dynamic RecurrentNeural Network，簡(jiǎn)寫為DRNN)前饋-模糊PID反饋控制策略。研究結(jié)果表明，采用雙線圈磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)、碟簧螺釘組合的預(yù)壓應(yīng)力機(jī)構(gòu)和水管密繞水冷降溫系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)

4、動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得出了偏置磁場(chǎng)、預(yù)壓壓力以及工作溫度的最佳參數(shù)，并得到驅(qū)動(dòng)器最大位移為80μm，最大輸出力為292.3N;采用Jiles-Atherton模型描述系統(tǒng)的磁滯特性，引入粒子群和人工魚群混合優(yōu)化算法進(jìn)行磁滯模型的參數(shù)辨識(shí)，采用DRNN獲得系統(tǒng)的磁滯逆模型進(jìn)行前饋控制，采用模糊PID對(duì)系統(tǒng)輸出位移進(jìn)行反饋控制，使系統(tǒng)的定位精度達(dá)到0.75μm，定位分辨力為10nm，X、Y方向的定位行程分別為30.8μm、40.5μm，最大重復(fù)性

5、誤差為0.6μm。
　　論文各章內(nèi)容如下:
　　第一章介紹了課題來源、研究背景和研究意義，分析了精密定位系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，得出可從提升驅(qū)動(dòng)器性能、設(shè)計(jì)精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和提高控制系統(tǒng)可靠性三個(gè)方面提高精密定位系統(tǒng)的整體性能，并總結(jié)了這三個(gè)方面的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，確定了本論文的研究?jī)?nèi)容。
　　第二章基于Stoner-Wohlfarth模型的自由能極小原理，建立了GMM磁疇的自由能極值模型，研究了外加應(yīng)力和外加磁場(chǎng)載荷作用下磁疇偏轉(zhuǎn)

6、角度的變化規(guī)律，揭示了GMM的磁致伸縮機(jī)理，并以此為基礎(chǔ)，從GMM棒材選型、磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)、預(yù)壓應(yīng)力機(jī)構(gòu)以及溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)等四個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出一種基于GMM的大推力驅(qū)動(dòng)器新結(jié)構(gòu)，確保了精密定位平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)器性能。
　　第三章分別建立了超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器（Giant Magnetostrictive Actuator，簡(jiǎn)寫為GMA）的電磁場(chǎng)模型、磁滯模型和磁致伸縮模型，優(yōu)化分析了電磁場(chǎng)的性能;數(shù)值仿真分析了磁滯模型，得到了偏置磁場(chǎng)和預(yù)壓

7、應(yīng)力對(duì)磁致伸縮應(yīng)變的影響規(guī)律;建立了GMA的機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)弱解控制方程和磁致伸縮本構(gòu)方程，并采用有限元法仿真分析，得出了最佳的驅(qū)動(dòng)參數(shù)，為后續(xù)改善驅(qū)動(dòng)器的磁滯非線性和提高控制精度提供理論依據(jù)。
　　第四章提出了一種二自由度柔性鉸鏈平臺(tái)的新結(jié)構(gòu)，并基于柔性鉸鏈設(shè)計(jì)理論，建立了輸出位移與輸入力之間的靜、動(dòng)力學(xué)模型;采用數(shù)值仿真分析方法，優(yōu)化了柔性鉸鏈的幾何尺寸，得出了最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù);基于建立的動(dòng)力學(xué)方程，分析了柔性鉸鏈平臺(tái)的振動(dòng)特性，得到

8、了平臺(tái)的固有頻率;最后采用ANSYSWorkbench和MTALAB軟件平臺(tái)對(duì)平臺(tái)進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，驗(yàn)證了建立的靜、動(dòng)力學(xué)模型，得出了柔性鉸鏈平臺(tái)的傳動(dòng)特性。
　　第五章提出了一種粒子群和人工魚群混合優(yōu)化的參數(shù)辨識(shí)算法，同時(shí)引入了DRNN前饋-模糊PID反饋控制策略，并基于MATLAB/SIMULINK模塊進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明:提出的參數(shù)辨識(shí)算法具有較高辨識(shí)精度，引入的控制策略是有效的。
　　第六章搭建了GM

9、A實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了GMA的雙線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度、輸出力以及不同偏置磁場(chǎng)和不同預(yù)壓應(yīng)力下的輸出位移，驗(yàn)證了磁場(chǎng)強(qiáng)度模型，得出了最佳驅(qū)動(dòng)參數(shù);搭建了柔性鉸鏈平臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所建立的靜、動(dòng)力學(xué)模型;搭建了精密定位平臺(tái)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，開發(fā)了控制系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出控制策略的有效性;最后，測(cè)試了精密定位平臺(tái)的定位行程、重復(fù)性、定位精度、分辨力和響應(yīng)時(shí)間。
　　第七章總結(jié)了全文的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新之處，展望了今后的研究工作。