PZT驅(qū)動的微納定位平臺設計及測控系統(tǒng)開發(fā).pdf

1、微納定位技術是現(xiàn)代科學研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一項關鍵技術，在微電子制造、生物醫(yī)學、精密儀表、航空航天、超精密加工、通信定位、柔性精密傳動、國防工業(yè)等領域具有廣闊的應用前景。其中以壓電陶瓷作為驅(qū)動器，結合多種柔性鉸鏈的微納定位平臺得到國內(nèi)外學者的廣泛討論。然而，目前設計的微納定位平臺存在工作空間密度小，定位時間長的不足，給高性能的微納定位平臺設計與開發(fā)帶來極大的挑戰(zhàn)。
　　本文結合沈陽市科技創(chuàng)新專項資金-應用基礎研究專項“高精度定位工作臺

2、及其測控系統(tǒng)關鍵技術研究”（項目號:F13-316-1-74），對基于壓電陶瓷驅(qū)動的微納定位工作臺及其測控系統(tǒng)進行研究和實踐。研究內(nèi)容和成果如下:
　　(1)在分析國內(nèi)外研究的基礎上提出一種具有高工作空間密度、高速實時、精密的并聯(lián)微納定位平臺方案。以壓電陶瓷作為驅(qū)動器，無回程間隙和機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構作為執(zhí)行機構，采用并聯(lián)方式實現(xiàn)X和Y方向的自由度組合;采用體積小、線性度好的直線位移傳感器

3、，基于“DSP+FPGA”的高速、高精度的中心測控單元，基于C++Builder和USB2.0的上位機參數(shù)設置界面。
　　(2)針對微納定位平臺工作空間密度小的問題，提出一種新型二自由度對稱式并聯(lián)微納定位工作臺。通過分析平行四邊形位移放大機構主要柔性部分的變形量，對直圓柔性鉸鏈、平行板柔性鉸鏈和倒圓角直梁型柔性鉸鏈設計計算，采用能量法和位移矩陣得出平行四邊形位移放大機構輸出力和載物臺運動位移的計算公式。以平臺輸出位移為優(yōu)化目標，對

4、平臺關鍵尺寸進行優(yōu)化。對優(yōu)化后的結果進行有限元仿真和實驗分析。結果證明:該平臺的工作空間可達到143μm×143μm，工作空間密度為2.560μm2/mm2，相對耦合位移為4.2％。
　　(3)針對微納定位工作臺定位時間長、精度低的問題，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控制器設計。對測控系統(tǒng)進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計，C++Builder上

5、位機客戶端界面設計及后臺程序設計，采用USB2.0實現(xiàn)與上位機的通信設計。
　　(4)針對微納定位工作臺及其測控系統(tǒng)在信號傳輸過程中遇到的來自系統(tǒng)內(nèi)部電壓信號的電磁干擾以及來自外部環(huán)境的隨機干擾，如人員走動、空氣流動、設備共振以及操作人員的操作過程等問題，提出將基于小波熵的自適應閾值提取法進行微弱信號處理，并與給定閾值法進行對比，結果表明:-13.0402dB的含噪信號采用基于小波熵的自適應閾值提取法進行信號處理后的信噪比可達5.

6、0988dB，信噪比增益為18.1390dB，可實現(xiàn)對微納定位工作臺工作過程中的微弱信號處理。
　　(5)針對微納定位平臺加工精度高、工藝復雜以及成功率低的問題，在微納定位工作臺及其測控系統(tǒng)的設計過程中為了節(jié)約設計成本并提高研究效率，完成多平臺、跨軟件的微納定位平臺聯(lián)合仿真系統(tǒng)設計。完成開環(huán)和閉環(huán)的仿真系統(tǒng)、實驗系統(tǒng)構建，結果證明:開環(huán)系統(tǒng)對3種輸入信號均有較好響應，在輸入信號突變處出現(xiàn)約為11.3％的超調(diào)，實驗輸出和仿真輸出存在

7、穩(wěn)態(tài)誤差;閉環(huán)系統(tǒng)的實驗輸出和仿真輸出無穩(wěn)態(tài)誤差，通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)，系統(tǒng)無超調(diào)，但系統(tǒng)響應較慢，正弦跟蹤存在明顯延遲。
　　(6)完成微納定位平臺實驗系統(tǒng)集成及性能測試，主要包括:1）平臺加工、裝配與調(diào)試;2）基于小波熵的微弱信號處理性能實驗;3）實驗系統(tǒng)開環(huán)特性實驗;4）實驗系統(tǒng)閉環(huán)特性實驗。
　　(7)最后，總結論文研究工作，并提出后續(xù)需要研究與探索的一些問題，并對高精度定位工作臺及其測控系統(tǒng)關鍵技術的研究工作進行了展