空间分布压电驱动的多自由度微定位工作台位姿控制模型与实验研究
|
摘要
微定位机构是指行程小(一般小于毫米级)、精度高(亚微米级、纳米级)、灵敏度高的机构，它是精密机械和精密仪器的关键部件之一。它既可作为微进给和微调部件，也可作为工艺系统误差的静态和动态补偿部件。许多高科技领域都需要微定位技术的支持，压电微定位技术由于有诸多优点，正成为近年国内外的研究热点。
本文在深入分析研究了国内外微定位技术的基础上，研究了一种空间分布压电驱动的多自由度微定位新技术，完成了微定位工作台定位原理研究，建立了微定位工作台位姿控制模型。采用空间并列分布式压电驱动实现微定位工作台的三维平移和三维旋转。在四层平行平板间并列分布九个PZT微驱动器，每层的三个驱动器摆放在一个正三角形的三个顶点上。建立了九个PZT微驱动器伸缩量组合与最上层平板位置、姿态之间转换的位姿控制模型，通过分别控制九个PZT微驱动器的单个伸缩量，实现载物台(最上层平板)的六自由度微定位。
开展了PZT微驱动器特性的研究与实验，提出了在本项目中减小PZT微驱动器自身误差的方法。
设计了空间分布压电驱动的多自由度微定位实验系统，将多路PZT微驱动器、电感传感器、A/D转换卡、计算机、D/A转换卡、PZT驱动电源集成为定位控制实验系统，采用Visual Basic 6.0语言编写了控制软件，设计了实验方案并进行了实验研究。
对微定位系统进行了初步的误差分析，提出了改进措施。
本文研究的空间分布压电驱动的多自由度微定位新技术，从运动原理上消除了各运动方向间的干扰，从而达到将运动方向间的交叉耦合误差减小至可以忽略的数量级。完成六自由度微定位工作台系统集成，实现低干涉、高分辩力、超微进给的高精度三维平移和三维偏转。为MEMS和光通信部件制造以及其它高科技领域的超精密定位工作台的研制提供实用新技术。
实验结果验证了本文研究的空间分布压电驱动的多自由度微定位方案的正确性和实用性，为进一步的工作奠定了基础。
Micro position mechanisms refer to those mechanisms who have small journey (less than millimeter order), high precision (sub-micron order or micro millimeter order) and high sensitivity. It's one of the key components of fine mechanics and precision instrument. It can be used as fine control component and static state error compensation or dynamic error compensation component. Lots of high-tech fields depend on micro position technique. Since piezoelectric micro position technique has a great deal strongpoint, it is turning into study hotspot both here and abroad.
Base on the research of existing micro position technology, a new technique of multi DOF (degree of freedom) micro position with PZT actuators has been put forward and studied in this paper. The author studied the principle of micro position and created the position control matrix. Multi PZT actuators have been distributed spatially in order to realize three-dimensional shifting and three-dimensional tilting. Nine PZT actuators are distributed among four platforms, and in each layer there are three PZT actuators placed on the vertexes of an equilateral triangle. In terms of the positioning demand to the worktable, the strain of each PZT actuator can be worked out. So, the worktable can realize six DOF micro position by controlling each PZT actuator.
Experimental characteristics of PZT actuators were studied and the methods of reducing PZT actuators' error were brought forward.
Six DOF micro positioning system with PZT actuators was designed. PZT actuators, inductance sensor, A/D, computer, D/A and power supply were integrated into a experiment micro positioning system. Control software was programming with Visual Basic 6.0.
The new technique of multi DOF (degree of freedom) micro position with PZT actuators has no interference with each direction, so the cross coupling error can be reduced to neglectable order of magnitude. The micro positioning system was integrated and it can carry out six DOF micro position highprecisionly. It provides practical new technique for high-tech field such as MEMS and optical communication.
The experiment has verified the principal and system of multi DOF micro position with PZT actuators. Advice of improvement and prospect of the next stage study are also presented in this paper.
本文在深入分析研究了国内外微定位技术的基础上，研究了一种空间分布压电驱动的多自由度微定位新技术，完成了微定位工作台定位原理研究，建立了微定位工作台位姿控制模型。采用空间并列分布式压电驱动实现微定位工作台的三维平移和三维旋转。在四层平行平板间并列分布九个PZT微驱动器，每层的三个驱动器摆放在一个正三角形的三个顶点上。建立了九个PZT微驱动器伸缩量组合与最上层平板位置、姿态之间转换的位姿控制模型，通过分别控制九个PZT微驱动器的单个伸缩量，实现载物台(最上层平板)的六自由度微定位。
开展了PZT微驱动器特性的研究与实验，提出了在本项目中减小PZT微驱动器自身误差的方法。
设计了空间分布压电驱动的多自由度微定位实验系统，将多路PZT微驱动器、电感传感器、A/D转换卡、计算机、D/A转换卡、PZT驱动电源集成为定位控制实验系统，采用Visual Basic 6.0语言编写了控制软件，设计了实验方案并进行了实验研究。
对微定位系统进行了初步的误差分析，提出了改进措施。
本文研究的空间分布压电驱动的多自由度微定位新技术，从运动原理上消除了各运动方向间的干扰，从而达到将运动方向间的交叉耦合误差减小至可以忽略的数量级。完成六自由度微定位工作台系统集成，实现低干涉、高分辩力、超微进给的高精度三维平移和三维偏转。为MEMS和光通信部件制造以及其它高科技领域的超精密定位工作台的研制提供实用新技术。
实验结果验证了本文研究的空间分布压电驱动的多自由度微定位方案的正确性和实用性，为进一步的工作奠定了基础。
Micro position mechanisms refer to those mechanisms who have small journey (less than millimeter order), high precision (sub-micron order or micro millimeter order) and high sensitivity. It's one of the key components of fine mechanics and precision instrument. It can be used as fine control component and static state error compensation or dynamic error compensation component. Lots of high-tech fields depend on micro position technique. Since piezoelectric micro position technique has a great deal strongpoint, it is turning into study hotspot both here and abroad.
Base on the research of existing micro position technology, a new technique of multi DOF (degree of freedom) micro position with PZT actuators has been put forward and studied in this paper. The author studied the principle of micro position and created the position control matrix. Multi PZT actuators have been distributed spatially in order to realize three-dimensional shifting and three-dimensional tilting. Nine PZT actuators are distributed among four platforms, and in each layer there are three PZT actuators placed on the vertexes of an equilateral triangle. In terms of the positioning demand to the worktable, the strain of each PZT actuator can be worked out. So, the worktable can realize six DOF micro position by controlling each PZT actuator.
Experimental characteristics of PZT actuators were studied and the methods of reducing PZT actuators' error were brought forward.
Six DOF micro positioning system with PZT actuators was designed. PZT actuators, inductance sensor, A/D, computer, D/A and power supply were integrated into a experiment micro positioning system. Control software was programming with Visual Basic 6.0.
The new technique of multi DOF (degree of freedom) micro position with PZT actuators has no interference with each direction, so the cross coupling error can be reduced to neglectable order of magnitude. The micro positioning system was integrated and it can carry out six DOF micro position highprecisionly. It provides practical new technique for high-tech field such as MEMS and optical communication.
The experiment has verified the principal and system of multi DOF micro position with PZT actuators. Advice of improvement and prospect of the next stage study are also presented in this paper.
引文
[1] 蔡秀梅．秦岚．潘英俊．多自由度微定位技术研究展望．压电与声光．vol．23．No．5(增刊)2001．10．41-43
[2] 刘建琴．张策．王玉新．韩玥．微进给机构综述．机械传动．1999年．第23卷第1期．47-50
[3] 胡小唐．禹国强．刘安伟．杨勇．三维一体化超微定位系统的研制(J)．电子显微学报1999．18(1)．141-144．
[4] 王建林．胡小唐．纳米定位技术研究现状．机械设计与研究．2000．No．1．43-44
[5] 重庆大学科技查新站．科技查新报告．MEMS制造专用六维微动操作台关键技术．2002．4
[6] 秦岚．蔡秀梅．彭慧．刘京诚．潘英俊．空间分布压电驱动的多自由度微定位新方法．压电与声光．vol．24．No．1．2002．2．
[7] 曾友章．秦岚．赵廷超．王代华．廖念钊．机电一体化技术及系统(自编教材)．重庆大学光电工程学院．1996年
[8] 强锡富．传感器．第二版．机械工业出版社．1994年
[9] 张涛．孙立宁．蔡鹤皋．压电陶瓷基本特性研究．光学精密工程．1998年10月第6卷第5期．26—32
[10] 陈大任．李国荣．张望重．殷庆瑞等．功能材料与器件学报．1997．3．236—242
[11] 张元良．刘欣．方加宝．郭丽莎．陈懋祈．压电陶瓷的磁滞现象对位移精度的影响．机械制造与机床．1998．4，7—8
[12] 任要正．庞思勤．唐水源．前馈控制方法在非轴对称表面加工中的应用．北京理工大学学报．2001．第21卷第2期．201—204
[13] 庄在龙．胡小唐．杨林．压电陶瓷微位移器压电响应性能的研究及压电误差的补偿．仪器仪表学报．1996年2月第17卷第1期．355—357
[14] 吴一辉．王立鼎．纳米定位控制中消除PZT滞后及蠕变的方法．压电与声光．1996．6．Vol．18 No．3．207-211
[15] 王秀梅．凌文玉．汤建勋．安丰光．压电陶瓷驱动微进给伺服控制系统设计．微计算机信息．1999年第15卷第2期．42—43
[16] 冯晓光．赵万生．栗岩等．减小压电陶瓷驱动电源纹波的一种有效方法．哈尔滨工业大学学报．1997年10月第29卷第5期
[17] 王顺祺．稳压电源设计．北京．国防工业出版社．1983年10月第一版
[18] Michael Halvorson著．张钟军等译．Visual Basic 6学习指南．北京．机械工业出版社．1999．12
[19] 秦岚．张智海．蔡秀梅等．微小步行爬壁机器人的电磁直接驱动方式．重庆大学学报．vol．24．No．3．2001．3．65—67
[20] 张智海．蔡秀梅．秦岚等．微型机器人三维位置测量的新方法．压电与声光．vol．23．No．5(增刊)2001．10·413-415
[21] Lan Qin, Zhihai Zhang, Xiumei Cai, The position detection and control of a new type micro-robot, Proceedings of IMCT' 2001·April 5-9,2001·Chongqing, China, 609-611
[22] Kok-Meng Lee, Shankar Arjunan, A Three-Degrees-of-Freedom Micromotion In-Parallel Actuated Manipulator, IEEE Trans. Rob. Autom. Vol7. No. 5.1991. 634-641
[23] Z.X. Wang, M.K. Jouaneh, D. Dornfeld, Design and Characterization of Linear Motion Piezoelectric Microactuator, in Proc. IEEE Int. Conf. Robotics Automat. 1989.1710-1715
[24] 久曾神煌．山本刚照．矶部浩已．压电素子用高刚性多自由度微勤机构(第3报)—简易型5自由度机构閞発．精密工学会誌．Vol．63．No．2．1997．223-227
[25] 大岩孝彰．金子克．金子毅．久曾神煌．压电素子用高刚性多自由度微动机构．精密工学会誌．Vol．60．No．9．1994．1355-1359．
[26] 大岩孝彰．神浦刚．久曾神煌．压电素子用高刚性多自由度微动机构(第2报)—6自由度拡张．精密工学会誌．Vol．62．No．9．1996．1302-1306
[27] Yang R Y, Jouaneh Musa, Schweizer Rudolph, Design and characterization of a low-profile micropositioning stage. Precision Engineering. 1996.18(1). 20-29
[28] Jae W R, Gweon D G, Error analysis of a flexure hinge mechanism induced by machining imperfection. Precision Engineering. 1997.21(2/3). 83-89
[29] King T G, etc, Piezoelectric Ceramic Actuators, A Review of Machinery Applications. Precision Engineering. 1990.12(3). 131-136
[30] Farshad Khorrami, Issam J, Zeinoun, Rapid Slewing and Pointing of Flexible Structure. SPIE, Smart Structure and Intelligent System. 1993. 1917. 25
[31] 李圣怡．黄长征．王贵林．微位移机构研究．航空精密制造技术．2000．8．vol．36．No．4．5-9
[32] 荆涛．压电陶瓷微位移驱动器在精密工作台上的应用研究．光学精密工程。Vol．2．No．4．1994年8月．
[33] 李国荣．陈大任．殷庆瑞．PZT系多层片式压电陶瓷微驱动器位移性能研究．无机材料学报．1999年6月第14卷第3期．418—424
[34] 孙涛．谭久彬．董申．压电陶瓷微驱动器用于超精定位的技术研究．压电与声光．Vol．21．No．6．1999．493-497
[2] 刘建琴．张策．王玉新．韩玥．微进给机构综述．机械传动．1999年．第23卷第1期．47-50
[3] 胡小唐．禹国强．刘安伟．杨勇．三维一体化超微定位系统的研制(J)．电子显微学报1999．18(1)．141-144．
[4] 王建林．胡小唐．纳米定位技术研究现状．机械设计与研究．2000．No．1．43-44
[5] 重庆大学科技查新站．科技查新报告．MEMS制造专用六维微动操作台关键技术．2002．4
[6] 秦岚．蔡秀梅．彭慧．刘京诚．潘英俊．空间分布压电驱动的多自由度微定位新方法．压电与声光．vol．24．No．1．2002．2．
[7] 曾友章．秦岚．赵廷超．王代华．廖念钊．机电一体化技术及系统(自编教材)．重庆大学光电工程学院．1996年
[8] 强锡富．传感器．第二版．机械工业出版社．1994年
[9] 张涛．孙立宁．蔡鹤皋．压电陶瓷基本特性研究．光学精密工程．1998年10月第6卷第5期．26—32
[10] 陈大任．李国荣．张望重．殷庆瑞等．功能材料与器件学报．1997．3．236—242
[11] 张元良．刘欣．方加宝．郭丽莎．陈懋祈．压电陶瓷的磁滞现象对位移精度的影响．机械制造与机床．1998．4，7—8
[12] 任要正．庞思勤．唐水源．前馈控制方法在非轴对称表面加工中的应用．北京理工大学学报．2001．第21卷第2期．201—204
[13] 庄在龙．胡小唐．杨林．压电陶瓷微位移器压电响应性能的研究及压电误差的补偿．仪器仪表学报．1996年2月第17卷第1期．355—357
[14] 吴一辉．王立鼎．纳米定位控制中消除PZT滞后及蠕变的方法．压电与声光．1996．6．Vol．18 No．3．207-211
[15] 王秀梅．凌文玉．汤建勋．安丰光．压电陶瓷驱动微进给伺服控制系统设计．微计算机信息．1999年第15卷第2期．42—43
[16] 冯晓光．赵万生．栗岩等．减小压电陶瓷驱动电源纹波的一种有效方法．哈尔滨工业大学学报．1997年10月第29卷第5期
[17] 王顺祺．稳压电源设计．北京．国防工业出版社．1983年10月第一版
[18] Michael Halvorson著．张钟军等译．Visual Basic 6学习指南．北京．机械工业出版社．1999．12
[19] 秦岚．张智海．蔡秀梅等．微小步行爬壁机器人的电磁直接驱动方式．重庆大学学报．vol．24．No．3．2001．3．65—67
[20] 张智海．蔡秀梅．秦岚等．微型机器人三维位置测量的新方法．压电与声光．vol．23．No．5(增刊)2001．10·413-415
[21] Lan Qin, Zhihai Zhang, Xiumei Cai, The position detection and control of a new type micro-robot, Proceedings of IMCT' 2001·April 5-9,2001·Chongqing, China, 609-611
[22] Kok-Meng Lee, Shankar Arjunan, A Three-Degrees-of-Freedom Micromotion In-Parallel Actuated Manipulator, IEEE Trans. Rob. Autom. Vol7. No. 5.1991. 634-641
[23] Z.X. Wang, M.K. Jouaneh, D. Dornfeld, Design and Characterization of Linear Motion Piezoelectric Microactuator, in Proc. IEEE Int. Conf. Robotics Automat. 1989.1710-1715
[24] 久曾神煌．山本刚照．矶部浩已．压电素子用高刚性多自由度微勤机构(第3报)—简易型5自由度机构閞発．精密工学会誌．Vol．63．No．2．1997．223-227
[25] 大岩孝彰．金子克．金子毅．久曾神煌．压电素子用高刚性多自由度微动机构．精密工学会誌．Vol．60．No．9．1994．1355-1359．
[26] 大岩孝彰．神浦刚．久曾神煌．压电素子用高刚性多自由度微动机构(第2报)—6自由度拡张．精密工学会誌．Vol．62．No．9．1996．1302-1306
[27] Yang R Y, Jouaneh Musa, Schweizer Rudolph, Design and characterization of a low-profile micropositioning stage. Precision Engineering. 1996.18(1). 20-29
[28] Jae W R, Gweon D G, Error analysis of a flexure hinge mechanism induced by machining imperfection. Precision Engineering. 1997.21(2/3). 83-89
[29] King T G, etc, Piezoelectric Ceramic Actuators, A Review of Machinery Applications. Precision Engineering. 1990.12(3). 131-136
[30] Farshad Khorrami, Issam J, Zeinoun, Rapid Slewing and Pointing of Flexible Structure. SPIE, Smart Structure and Intelligent System. 1993. 1917. 25
[31] 李圣怡．黄长征．王贵林．微位移机构研究．航空精密制造技术．2000．8．vol．36．No．4．5-9
[32] 荆涛．压电陶瓷微位移驱动器在精密工作台上的应用研究．光学精密工程。Vol．2．No．4．1994年8月．
[33] 李国荣．陈大任．殷庆瑞．PZT系多层片式压电陶瓷微驱动器位移性能研究．无机材料学报．1999年6月第14卷第3期．418—424
[34] 孙涛．谭久彬．董申．压电陶瓷微驱动器用于超精定位的技术研究．压电与声光．Vol．21．No．6．1999．493-497