微进给机构的柔性铰链设计与有限元分析

设计一套以音圈电机为驱动电机,柔性铰链为支承元件,碟形弹簧为减震机构的微进给机构.柔性铰链采用双平行四杆机构的结构形式,计算了柔性铰链在音圈电机峰值推力作用下的最大输出位移和最大应力值.通过有限元分析柔性铰链在不同推力作用下的应力、应变图,发现在音圈电机最大推力800 N作用下,柔性铰链的最大应变为224.67μm.分析结果证明,所设计的直圆形双平行四连杆柔性铰链能够满足微进给机构的往复进给行程要求.     

精密运动平台宏微控制系统的设计

基于高动态精密伺服运动双台系统模型提出一种非线性宏微控制方法.该方法采用长行程直线电机宏动跟随音圈电机高精密微动的驱动方式,并引入扩张状态观测器.系统在定位误差较大时,采用近似时间最优控制律的轻阻尼宏动台,以允许的最大速度快速响应,在接近目标位置后,再用采用复合非线性反馈控制律的重阻尼微动台来补偿宏动台超调引起的位置偏差,最终实现系统快速高精度的定位.通过扩张状态观测器观测系统的动态变化,补偿系统中的各种扰动,减小系统的稳态跟踪误差.研究结果表明:该方法改善系统的动态性能和抗干扰能力,提高系统的定位精度.     

基于支持向量机的非线性逆控制及仿真研究

针对逆系统方法中非线性逆模型辨识困难的问题,研究了基于支持向量机(SVM)的逆模型辨识及控制,提出了一种SVM逆模型与PID结合的复合控制系统.由SVM辨识非线性系统的逆模型作为前馈控制器,形成直接逆控制.同时,由PID控制器构成反馈控制,克服直接逆控制鲁棒性不强的缺陷.仿真研究表明,SVM的逆模型辨识能力强,该复合控制系统具有比直接逆控制更优的控制性能和鲁棒性.     

刚柔耦合微定位平台的设计与分析

设计了一种采用压电陶瓷驱动的3自由度刚柔耦合微定位平台,利用柔性铰链机构及自锁原理在保证装置定位精度的同时提高了微定位平台的承载能力.首先,对该平台的结构进行了设计,分析其运动及自锁原理;然后采用ANSYS对微定位平台进行了性能分析,结果表明,该微定位平台在y方向变形为28.8μm/100 N,z方向的变形为0.205μm/100 N;模态分析中,xy向驱动板和z向驱动板一阶固有频率较高,具有比较理想的动力学特性,能够用于加工过程中承载力变化较大的情况.     

基于光致形变材料的光驱动微夹钳

针对目前微夹钳存在的一些问题,提出了一种基于光致形变材料镧改性锆钛酸铅(PLZT)双晶片的光驱动微夹钳.首先对光微夹钳中的核心部件PLZT陶瓷的光致形变特性进行了研究,建立了PLZT陶瓷的新型光致伸缩模型;其次对PLZT双晶片式悬臂梁结构的驱动特性进行了分析;最后对柔性铰链放大结构进行了设计,并对其柔性铰链的承载能力进行了理论计算.计算结果表明,柔性铰链的承载能力满足使用要求,光微夹钳可实现远程光控而不受电磁干扰,可自主控制夹持与释放动作,其放大机构的放大倍数为24倍,且最大钳口距离可达3.880mm,基本满足大部分微型零件的操作需求,具有很好的通用性和适用性.     

新型活塞异形销孔加工方法

提出一种新型活塞异形销孔数控加工方法,采用一个基于压电陶瓷驱动的柔性铰链放大机构来实现镗刀的径向微位移.分析了放大机构的工作原理,提出了一种查表与实时检测相结合的控制方法.建立了消除压电陶瓷驱动器磁滞特性的数学模型,分析了柔性铰链刚度参数的设计方法及柔性铰链机构的动态特性.     

音圈电机推力迟滞特性研究

为实现音圈电机推力的精确控制,基于Preisach模型对音圈电机的推力迟滞特性进行了建模,构建了音圈电机的推力迟滞逆模型,并设计了开环逆补偿器,对有逆补偿器和无逆补偿器的音圈电机进行了推力特性试验.结果表明,有逆补偿器的音圈电机推力迟滞环明显小于无逆补偿器的音圈电机.且有逆补偿器的音圈电机推力最大绝对误差为0.2 N,相对误差基本维持在3%以内.无逆补偿器的音圈电机推力最大绝对误差达到了0.75 N,相对误差变化较大,补偿后推力绝对误差最大降低了73%.      

基于直角柔性铰链的微控平台动力学研究

目的设计一种基于直角柔性铰链的一维微控平台,用激光干涉仪进行微控平台位置的检测和传递位置信号实现位置上的闭环控制,从而实现大行程纳米级分辨率和定位精度要求.方法利用卡氏第二定理推导微控平台运动的柔度表达式,在此基础上进行不同柔性铰链的柔度对比,选取满足要求的柔性铰链,并设定其几何参数,通过计算选择合适的压电陶瓷驱动器,并利用有限元软件进行验证,建立了质量-阻尼-刚度动力学模型,对比不同阻尼下的微控平台的稳定状态,为选择提供预紧力的弹簧提供参考.结果直角柔性铰链的柔度最大,满足微控平台大位移量的要求.通过计算选择低压机械式封装压电陶瓷驱动器,具体型号为PST 150/4/20 VS9.在进行微控平台的封装时,设定弹簧阻尼在4 000 N/m,微控平台可以在很短的时间内趋于稳定,达到其优化的目的.结论新型一维微控平台能够实现稳定性定位,该设计思路为微控平台的设计提供了一种有效简明的设计步骤,为平台的优化设计提供了一种参考.     

基于RBFNN整定的PID控制在柔性摆跟踪控制中的应用研究

本文提出了一种基于径向基函数神经网络（RBFNN）整定的PID控制策略,并将其应用于柔性倒立摆的跟踪控制。该方法通过神经网络辨识获取柔性摆的Jacobian信息,采用梯度下降法自适应调整PID的控制参数。仿真结果表明,与传统的PID控制效果相比,该控制方法响应速度快、超调量小,较好地解决了PID控制方法中参数整定困难的问题,实现了对柔性摆的有效跟踪控制。     

微纳传动系统的BP神经网络非线性控制

对微纳传动系统的动态特性进行了分析,将微纳定位平台简化成等效弹簧质量阻尼模型,应用拉格朗日方法,建立了定位平台的动力学模型。结合压电陶瓷驱动器(PZT)的电容特性,推导了微纳传动系统的总传递函数。利用BP神经网络的自学习、自适应及非线性逼近功能,对该微纳传动系统的PID参数进行在线自整定。结合PID控制简单、实现容易与鲁棒性强的优点,设计了BP神经网络PID(BPNN-PID)控制器,与传统PID控制相比,实现了更高的控制精度和更短的稳态时间,满足了微纳传动系统高精度与快速响应的要求。     

用于扫描探针显微技术的空间超精微定位系统

建立了柔性铰链和复合柔性平行四析结构的力学模型．针对扫描探针显微技术（ＳＰＭ）的需要，给出了一种空间三维超精微定位机构及其控制系统．此定位系统行程１０μｍ，定位精度１０ｎｍ，定位分辨率２ｎｍ．     

三自由度纳米磨削微定位平台的运动学特性

为了克服精密平面磨床进给系统分辨率低而难以实现纳米级磨削加工的不足,设计了一台三自由度微定位平台来实现纳米定位和振动误差动态补偿.该微定位平台采用3个高刚度压电陶瓷驱动器并联驱动,3个弹性铰链实现动平台的导向,利用3个高精度的电容式位移传感器测量动平台的实际位姿.为了深入研究三自由度微定位平台的运动学特性,分别利用欧拉角和RPY角描述动平台的姿态并基于空间解析几何理论,建立了微定位平台的正、逆解运动学模型,得到了传感器测量值和压电陶瓷驱动点的实际位移输出值间的映射关系,分析了不同姿态描述之间的内在联系,并研究了微定位平台受到压电陶瓷驱动器伸长量限制时的可达姿态空间.试验验证了三自由度微定位平台的特性和所建模型的正确性.试验表明该微定位平台的z向最大位移为12μm,章动角随进动角的不同而变化,最大可达130μrad.     

砂轮测量用白光干涉仪三维运动机台设计

为了实现对工件表面质量进行预测和控制,对砂轮表面的三维形貌测量、表征和评价就显得尤为重要.设计了一款砂轮检测用白光垂直扫描干涉仪三维运动机台,主要分为XY向位移平台部分、砂轮旋转定位部分、桥式立柱部分以及含有柔性铰链的Z向微位移系统部分,通过有限元静动力学分析优化机台结构,使其满足使用要求.实现XY向位移平台单脉冲步长0.3125μm,Z向精级机构行程15μm,精度0.03μm.     

音圈电机位置控制的自抗扰算法研究

针对音圈电机位置控制系统内外扰动对系统控制精度及鲁棒性的影响,提出一种基于自抗扰算法的音圈电机位置控制策略.在建立音圈电机数学模型的基础上,利用线性扩张状态观测器估计系统的内外扰动,在线进行动态扰动补偿.仿真结果表明,与经典PID控制相比,基于自抗扰的音圈电机位置控制策略能够有效克服内外扰动对系统性能的影响,具有响应快、无超调、抗干扰能力强等优点,有较好的工程应用前景.     

基于音圈电机精密定位平台的控制系统设计与仿真

针对一类音圈电机直接驱动的二自由度高速精密定位平台，为了在高速高加速情况下，获得良好的动态特性，对其动力学控制方法进行研究．构建了基于音圈电机的x向定位平台的机电耦合动力学模型，并基于此对平台的控制器进行设计，最终得到一种鲁棒性强、易于实现的控制器．该控制器由内环的电流控制器和外环的位置控制器、前置滤波器、前馈控制器、重复控制器和扰动观测器组成．理论分析和仿真实验证明，该控制器能较好地改善此类平台的动态特性，具有调节时间短、无超调和动态响应准确快速等优点，并能够有效提高系统的抗干扰和高频扳动能力．所得结论对此娄平台控制器的设计且有一定指单意义．     

抗拉压具有恒刚度特性的柔顺铰链设计

提出一种抗拉压载荷具有恒刚度特性的柔顺铰链机构.该机构通过利用柔顺机构学原理合理布置平面柔性梁.既实现了抵抗较大拉压载荷引起的柔顺梁的鲁棒性,又兼具较好的移动恒刚度特性.该柔顺铰链可应用于精密XY定位平台或其他复合柔顺机构中.结合柔顺铰链特点利用有限元分析软件2D分析,验证了其在受较大范围拉压载荷下具有上述的力学特性.其设计思想也可用在其他类型具有恒刚度特性的柔顺机构设计中.     

压电驱动一维微动平台的动力性能仿真

为降低一维微动平台定位机构的复杂性,消除输出位移的耦合,根据s型柔性铰链的结构特性,设计了基于压电堆栈驱动和S型柔性铰链为定位机构的一维微动平台。应用ANSYS软件对其进行动力性能仿真分析。结果表明：材料的许用应力340MPa,微动平台的最大应力为37MPa,这小于许用应力,满足强度设计要求。微动平台可以实现0～46．8μm的微位移输出。该结果为进一步研究二维微动平台提供了参考依据。     

音圈电机驱动光谱仪动镜的数字控制

为改进傅立叶光谱仪的光谱图质量和光谱分辨率,从控制的实时性、灵活性及精度方面考虑,提出采用模糊PID算法控制音圈电机的方案。通过理论分析及实验,可知采用模糊PID数字控制方案,算法主要是简单地查表,满足实时性要求,且动态响应特性基本和期望值一致。首先建立了系统模型,分析了采用PID控制前后的系统特性。由分析可知采用PID校正,系统的动态和稳态性能都有很大提高。然后讨论了模糊-PID控制及其数字实现方法,将PID和模糊PID控制算法在DSP中实现。通过实验测试了控制效果,实验结果表明,采用模糊-PID控制,动镜的速度波动和有效行程明显改善。     

基于压电陶瓷的光学微扫描器及其有限元分析

研究基于压电陶瓷和柔性铰链的光学微扫描器及其放大机构的位移放大原理,分析单轴圆弧型柔性铰链性能,利用有限元方法对光学微扫描器的柔性铰链放大机构进行仿真.结果表明:柔性铰链的最小厚度值为圆弧半径的2倍时,微扫描器位移放大结构达到稳定位移,放大机构的放大率提高到压电陶瓷驱动位移的3.25倍,进一步验证了放大机构设计的合理性.     

基于改进型RBF神经网络多变量系统的PID控制

针对工业控制中多输入多输出非线性时变系统,提出了基于改进型RBF神经网络的智能PID控制方法.采用最近邻聚类算法在线构造RBF神经网络辨识器并在线辨识被控对象,对PID控制器参数进行在线调整,实现了多变量非线性时变系统的解耦控制.仿真结果表明,控制器能根据系统运行状态获得对应于某种最优控制规律下的PID参数,解耦后的系统具有较好的动态和静态性能,与常规RBF神经网络PID控制方法相比,该方法具有控制精度高、响应速度快的优点,并且具备较强的自适应性和鲁棒性.