PZT驅(qū)動(dòng)的微納定位平臺(tái)設(shè)計(jì)及測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā).pdf

1、微納定位技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在微電子制造、生物醫(yī)學(xué)、精密儀表、航空航天、超精密加工、通信定位、柔性精密傳動(dòng)、國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中以壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)器，結(jié)合多種柔性鉸鏈的微納定位平臺(tái)得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛討論。然而，目前設(shè)計(jì)的微納定位平臺(tái)存在工作空間密度小，定位時(shí)間長(zhǎng)的不足，給高性能的微納定位平臺(tái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。
　　本文結(jié)合沈陽(yáng)市科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)資金-應(yīng)用基礎(chǔ)研究專(zhuān)項(xiàng)“高精度定位工作臺(tái)

2、及其測(cè)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目號(hào):F13-316-1-74），對(duì)基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微納定位工作臺(tái)及其測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行研究和實(shí)踐。研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　(1)在分析國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上提出一種具有高工作空間密度、高速實(shí)時(shí)、精密的并聯(lián)微納定位平臺(tái)方案。以壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)器，無(wú)回程間隙和機(jī)械摩擦的柔性鉸鏈以及具有高位移放大比的平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)X和Y方向的自由度組合;采用體積小、線(xiàn)性度好的直線(xiàn)位移傳感器

3、，基于“DSP+FPGA”的高速、高精度的中心測(cè)控單元，基于C++Builder和USB2.0的上位機(jī)參數(shù)設(shè)置界面。
　　(2)針對(duì)微納定位平臺(tái)工作空間密度小的問(wèn)題，提出一種新型二自由度對(duì)稱(chēng)式并聯(lián)微納定位工作臺(tái)。通過(guò)分析平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)主要柔性部分的變形量，對(duì)直圓柔性鉸鏈、平行板柔性鉸鏈和倒圓角直梁型柔性鉸鏈設(shè)計(jì)計(jì)算，采用能量法和位移矩陣得出平行四邊形位移放大機(jī)構(gòu)輸出力和載物臺(tái)運(yùn)動(dòng)位移的計(jì)算公式。以平臺(tái)輸出位移為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)

4、平臺(tái)關(guān)鍵尺寸進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行有限元仿真和實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果證明:該平臺(tái)的工作空間可達(dá)到143μm×143μm，工作空間密度為2.560μm2/mm2，相對(duì)耦合位移為4.2％。
　　(3)針對(duì)微納定位工作臺(tái)定位時(shí)間長(zhǎng)、精度低的問(wèn)題，本文采用一種基于“DSP+FPGA”的模塊化高速高精度微納定位工作臺(tái)控制器設(shè)計(jì)。對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行資源需求分析以及系統(tǒng)功能分析，完成基于“DSP+FPGA”中心處理單元程序設(shè)計(jì)，C++Builder上

5、位機(jī)客戶(hù)端界面設(shè)計(jì)及后臺(tái)程序設(shè)計(jì)，采用USB2.0實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信設(shè)計(jì)。
　　(4)針對(duì)微納定位工作臺(tái)及其測(cè)控系統(tǒng)在信號(hào)傳輸過(guò)程中遇到的來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部電壓信號(hào)的電磁干擾以及來(lái)自外部環(huán)境的隨機(jī)干擾，如人員走動(dòng)、空氣流動(dòng)、設(shè)備共振以及操作人員的操作過(guò)程等問(wèn)題，提出將基于小波熵的自適應(yīng)閾值提取法進(jìn)行微弱信號(hào)處理，并與給定閾值法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明:-13.0402dB的含噪信號(hào)采用基于小波熵的自適應(yīng)閾值提取法進(jìn)行信號(hào)處理后的信噪比可達(dá)5.

6、0988dB，信噪比增益為18.1390dB，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微納定位工作臺(tái)工作過(guò)程中的微弱信號(hào)處理。
　　(5)針對(duì)微納定位平臺(tái)加工精度高、工藝復(fù)雜以及成功率低的問(wèn)題，在微納定位工作臺(tái)及其測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中為了節(jié)約設(shè)計(jì)成本并提高研究效率，完成多平臺(tái)、跨軟件的微納定位平臺(tái)聯(lián)合仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)。完成開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的仿真系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建，結(jié)果證明:開(kāi)環(huán)系統(tǒng)對(duì)3種輸入信號(hào)均有較好響應(yīng)，在輸入信號(hào)突變處出現(xiàn)約為11.3％的超調(diào)，實(shí)驗(yàn)輸出和仿真輸出存在

7、穩(wěn)態(tài)誤差;閉環(huán)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)輸出和仿真輸出無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差，通過(guò)調(diào)節(jié)PID參數(shù)，系統(tǒng)無(wú)超調(diào)，但系統(tǒng)響應(yīng)較慢，正弦跟蹤存在明顯延遲。
　　(6)完成微納定位平臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)集成及性能測(cè)試，主要包括:1）平臺(tái)加工、裝配與調(diào)試;2）基于小波熵的微弱信號(hào)處理性能實(shí)驗(yàn);3）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)特性實(shí)驗(yàn);4）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)閉環(huán)特性實(shí)驗(yàn)。
　　(7)最后，總結(jié)論文研究工作，并提出后續(xù)需要研究與探索的一些問(wèn)題，并對(duì)高精度定位工作臺(tái)及其測(cè)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究工作進(jìn)行了展