高速精密定位平台的偏摆误差实时补偿

针对二维直线运动平台末端出现偏摆误差、降低平台直线运动精度的现象,研制了一种新型的基于偏摆误差实时补偿的高速精密定位平台.基于电容式微位移传感检测技术,建立了新型精密定位平台的偏摆误差检测模型.采用赫兹接触理论,建立了滚珠导轨副的刚度模型,进而建立了基于滚珠丝杠驱动、直线滚珠导轨副支撑的宏动工作台的偏摆振动模型.实验结果验证了宏动工作台偏摆振动模型的有效性;采用微动工作台进行宏动工作台直线运动偏摆误差的实时补偿,新型精密定位平台的性能得到较大改善.     

一维压电陶瓷微动台的系统设计

本文介绍了基于压电陶瓷驱动器的一维压电陶瓷微动台,选取了一款合适的压电陶瓷驱动器,并按其特性及微动平台设计要求设计了驱动电源。其中驱动电源包括显示部分、键盘部分、数字部分和模拟部分,实现了手动控制和单片机控制输出电压。对于模拟部分中采用的AD574进行详细的研究,并且给出AD574与一维压电陶瓷微动台的控制单片机的接口的程序。     

光刻机工件台宏微电机的非线性复合控制

针对光刻机工件台长行程直线电机宏动和平面电机高精密微动的耦合运动特点,提出一种宏动跟踪微动的变增益非线性复合控制方法,实现系统高动态纳米级精度的跟踪定位。宏动长行程直线电机采用零相位跟踪前馈控制和双环控制,实现系统无静差跟踪加速度指令;利用扩张状态观测器观测宏动系统的动态变化,补偿系统中的耦合推力和其他扰动;微动平面电机采用变增益非线性控制,根据系统误差幅值的大小,动态的改变控制器增益,以大增益抑制系统加减速时的低频大幅值误差,以小增益避免系统匀速运动时高频噪声的引入。实现系统稳定时间小于30 ms,跟踪误差小于20 nm的跟踪,实验结果表明:该方法可改善系统的动态性能和抗干扰能力,减小系统稳定时间,提高系统的跟踪精度。     

基于ZPETC-FF和DOB的精密运动平台控制

光刻机的工件台和掩模台采用长行程直线电机宏动跟随平面电机高精密微动的复合运动方式,实现系统高动态纳米级精度的跟踪定位. 为减小平面电机的运动范围和加速度,必须提高直线电机精密运动平台的跟踪精度. 提出一种零相位误差跟踪控制器加前馈(ZPETC-FF)和干扰观测器(DOB)相结合的复合控制方法,以提高直线电机宏动精密运动平台的运动精度. ZPETC-FF作为前馈跟踪控制器,有效提高了系统带宽和跟踪性能,减小了系统的动态跟踪误差;DOB作为鲁棒反馈控制器,补偿了外部扰动、未建模动态和系统参数摄动等,有效提高了系统的抗干扰能力. 实验表明,所提出的控制方法与传统的控制方法相比,不仅提高了系统的动态跟踪性能,而且还具有更强的抗干扰能力.     

宽场光学相干层析成像系统的机电控制设计与实现

根据宽场光学相干层析成像系统的基本原理和系统硬件组成,探讨设计了宽场光学相干层析成像系统的机电控制,机电控制主要包括3个部分:宏动台与微动台的机械控制模块、图像采集模块以及宏动台和微动台与CCD相机的联动控制模块,通过精确控制宏动台和微动台的移动实现四步移相时对样品干涉信号的采集。实验测试证明,所设计的宽场OCT系统能够对较透明的样品的表面和次表面的干涉信号进行采集,所采集到的干涉信号经过图像重构基本再现了样品的结构特征。     

超声压电换能器工作频率的温度自动补偿系统研究

超声压电换能器是中小口径超声波流量计的核心部件,工作环境温度会直接影响超声压电换能器的最佳工作频率,导致流量计计量不准确。以双通道超声波流量计为平台,设计了一个超声压电换能器工作频率的温度自动补偿系统。通过实验获取不同工作环境温度下的超声压电换能器最佳工作频率,并以性能最接近的两对超声压电换能器最佳工作频率的均值作为激励发射频率;设计了一个激励脉冲信号发射系统,根据工作环境温度通过查表法获取超声压电换能器的激励发射频率,自动完成超声压电换能器工作频率的温度补偿。通过实验分析了温度补偿系统对流量计渡越时间和流量标定的影响,结果表明:该系统能够实现超声压电换能器温度自动补偿;经过温度补偿的超声波流量计引用误差控制在1.5%之内,达到二级精度仪表标准。     

基于展开式望远镜的次镜调整结构设计

次镜作为展开式望远镜系统的重要光学组成部分,其位置姿态精度直接影响着成像质量的优劣;针对展开式望远镜系统次镜的五自由度位姿调整性能及精度要求,设计了一套由二自由度调节平台与三自由度倾斜调节机构组成的五自由度调整机构,将压电驱动下的柔性微动机构应用于对次镜XY向的精密调节之中;利用理论建模与有限元工程分析相结合的研究方法对压电精密驱动柔性平台动态驱动特性、承载性能进行分析;结果表明,所设计的五自由度调整平台能够满足次镜所需调节精度要求,具有实际意义。     

一种MEMS自动微装配机器人

介绍用于MEMS自动微装配的机器人系统的构成,讨论组成该系统的若干关键技术,包括宏/微精密定位技术、显微视觉系统、微夹持器的设计、系统的标定以及装配策略．集成各单元技术,以外径＜2 mm的微行星齿轮减速器为示范装配对象,研制能够完成微装配任务的微装配机器人．融合显微视觉和力信息,采用相应的装配策略,在2．5 min内,实现难度最大的3个行星齿轮的自动装配．     

卡尔曼滤波在时栅传感器动态标定系统中的应用

在时栅传感器误差曲线的动态自动标定中,利用软件实现卡尔曼滤波方法,以达到消除随机误差的目的。该方法在大幅度减少了标定所需时间的同时,进一步提高了动态标定精度。介绍了系统工作原理及卡尔曼滤波的实现方法。使用结果表明,采用该方法后自动测试效率和标定精度达到了预定的指标。     

绳驱动拟人臂机器人回零算法分析

为解决绳驱动拟人臂机器人在运动过程中产生的误差累积问题以及确定断电后重启的位姿,介绍一种不依靠外部设备的回零方法,即仅依靠自身检测的传感信息和相应的算法实现自回零.针对三自由度的并联球关节的自动回零问题,结合绳驱动并联机器人的结构特点,系统采用增量式编码器与限位开关相结合作为回零检测装置|在此基础上,对机构的运动耦合性进行了分析,提出分三步实现机器人动平台的原点定位与自动回零方法,并通过解耦控制,实现每步回零运动只需主动控制一条驱动绳索|仿真与实验验证这种三步自动回零算法的可行性,能够灵活准确的使机器人回到初始状态.     

新型压电精密步进旋转驱动器

提出一种新型的压电精密步进旋转驱动器。该驱动器采用仿生运动的原理,以定子内箝位的方式和均布薄壁柔性铰链微变形结构,解决了以往压电精密驱动器箝位不牢固、旋转步进频率较低、行程小、分辨率低、速度低、输出不稳定等问题。研制的精密旋转驱动器能够实现高频率(30 Hz)、高速度(380μrad/s)、大行程(>270°)、高分辨率(1μrad/step)、且输出稳定,大幅度提高了压电步进旋转驱动器的驱动性能。该驱动器在精密运动、微操作、光学工程、精密定位等精密工程中有广阔的应用前景。     

基于PZT的宏/微驱动机器人研究

综述了基于PZT的宏／微机器人的概念、现状、应用及所展开的相关研究成果,阐述了宏／微机器人克服了传统定位系统的局限性,可以同时满足大行程．高速高准确度的定位要求;压电陶瓷作为一种新型驱动器具有结构紧凑、体积小,可以做到无机械摩擦、无间隙、较高的位移分辨率等特点,用于宏／微结合,可得到了良好的效果．介绍了基于PZT的宏／微机器人的研究现状和成果,这些宏／微机器人分别用于精密装配、光纤对接、IC封装、生物工程、柔性手臂等领域。     

全方位精密微小型移动机器人的运动分析

采用压电陶瓷作为微驱动元件，设计了一种尺寸为50 mm×50 mm×10 mm，基于尺蠖蠕动原理工作的新型全方位精密微小型移动机器人，以其作为负载平台，用于精密操作过程中对微小元件的搬运、操作、精密定位等.在介绍尺蠖蠕动工作原理的基础上，对机器人的运动特性进行了分析，建立了机器人全方位运动模型.对机器人进行了分辨率、定位精度以及全方位运动等的实验研究，实验结果表明，该机器人负载能力约为750 g，最大工作频率可达40 Hz，运动速度可达208 μm/s，运动分辨率可达50 nm，开环直线定位偏离率约为5％；在采用了逐次逼近法进行误差补偿和显微视觉实现闭环控制后，定位精度可达100 nm，可以作为一种通用的高精密移动定位平台，在机器人上集成多种精密微操作器件后，可完成多种微作业任务.     

两端固定双晶片变形特性的实验研究

为利用压电双晶片构造高位移分辨力的小型运动装置,实验测试了8种不同厚度组合的接收型双晶片在两端固定条件下的变形特性.样片为矩形,尺寸70 mm×20 mm.组建了专门的测试系统,手工变换悬挂载荷后,由计算机控制自动逐级加载电压和记录数据,分别测试了负载特性、滞环特性、蠕变特性、重复特性等.实验结果表明:负载特性曲线初始段较软,负载超过某一临界点后变硬;相同电压下,金属层加厚变形减小,压电层加厚变形增大;四层压电片的复合晶片是双晶片输出推力的1.5~2倍;滞环分布范围与压电叠堆相似,在8%~16%之间;同等"伸长"条件下,两端固定双晶片的蠕变量小于叠堆.双晶片(d31)在两端固定条件下,其中心部位的变形特性和压电叠堆(d33)端部的变形特性具有可比性,可以满足亚微米级精度的定位/驱动场合对力和变形的要求.     

弹药传输机械臂固定时间终端滑模控制

为提高坦克弹药传输机械臂在路面激励等外界扰动下位置控制的鲁棒性,设计一种固定时间终端滑模控制器(fixed-time terminal sliding mode controller, FTSMC).推导含垂直基础振动的弹药传输机械臂动力学方程,将系统的基础振动处理成干扰项.采用新型固定时间收敛干扰观测器对系统不确定项进行补偿,改善了控制器的鲁棒性.结合固定时间收敛双幂次趋近律和固定时间终端滑模面设计固定时间终端滑模控制器.用Lyapunov理论证明了系统固定时间收敛特性. 3种工况下的对比实验表明,设计的复合控制器对不确定性干扰具有强鲁棒性,能够对外界扰动下的弹药传输机械臂进行准确定位控制.     

新型二维压电移动机构

采用双压电晶片振子为移动机构的驱动源,提出可以实现二维平面移动的新型压电驱动机构。分析了压电驱动机构的工作特点,探讨了实现驱动运动的工作机理。指出该机构是通过控制机构驱动"足"产生的驱动力和接触面之间的摩擦力之差实现机构的定向运动的。设计研制了新型二维压电移动机构的载物工作台实验装置,并进行了实验研究。实验证明该装置可以实现沿规定方向的运动,并可以通过电路设计进行控制,且具有一定的承载能力。     

Si表面规则纳米结构AFM阳极氧化研究

为了研究如何采用AFM探针阳极氧化方法在大范围内加工高精度纳米结构,采用AFM与精密工作台结合建立了一套新型纳米加工系统.该系统中,采用导电探针静止的工作方式,通过AFM系统对其进行垂直表面方向的调节,使探针跟踪表面以及表面产生氧化反应.工作台由外控计算机控制作复杂运动,可以实现矢量和点阵两种加工方法.实验表明:该系统消除了AFM本身扫描陶管由于非线性、迟滞等因素影响其大范围内重复性定位精度不高的缺点.大气环境下,在N型硅(111)表面进行了阳极氧化的实验,得到了探针和样品之间的偏压,加工速度和脉冲时间对氧化物高度的影响规律以及加工纳米线时的极限速度为60μm/s.因此,在本文开发的纳米加工系统上采用阳极氧化的方法可以在大范围内加工出复杂纳米结构如线型结构以及复杂的汉字.     

异地双端继电保护暂态试验方法

预先用电力系统电磁暂态计算程序ＥＭＴＰ准备好数据,利用ＧＰＳ全球定位系统作 为处于异地两端的继电保护暂态试验系统的同步时钟,在一条线路的两侧就可以同时同步地 模拟线路故障时线路两侧的真实三相电流、电压。两侧保护有动作时,通过公用电话网互传 保护动作信息,线路两侧试验系统根据两侧保护的动作情况送出相应于保护动作后的两侧电 流。电压,实现闭环测试。经大量试验获得了满意结果。     

机器人加工系统累积误差逐级闭环优化策略

针对机器人加工系统的误差累积问题,提出逐级闭环优化策略. 构建以激光跟踪仪、机器人基坐标系和末端工具坐标系组成的核心闭环,以激光跟踪仪、末端工具坐标系、视觉测量坐标系和工件组成的辅助闭环,以激光跟踪仪、视觉测量坐标系和末端工具坐标系组成的相关性闭环. 基于3个闭环独立优化,构建神经网络模型,以数据驱动的方式融合闭环优化结果,提高系统闭环优化的稳定性. 仿真实验结果表明,利用该方法有效地减小系统累积误差,提高机器人末端工具的定位精度,有助于指导后续的样机实验和加工应用.     

白光干涉轮廓仪工作台的设计及有限元分析

研究开发了一种能实现大量程位移和纳米级定位精度的一维位移工作台。工作台采用了粗、精2级定位机构,以精密衍射光栅传感器组成工作台位移的闭环检测系统。文中对由压电陶瓷驱动和柔性铰链导向的精定位机构进行了力学建模分析,并对其进行了有限元仿真运算。设计的工作台已成功应用于白光干涉轮廓测量仪,文中给出了轮廓仪部分测量结果。