六自由度納米工作臺驅(qū)動控制方法及系統(tǒng)研究.pdf

1、微位移驅(qū)動技術(shù)是精密測量與精密制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著微納制造技術(shù)的快速發(fā)展，需求納米級驅(qū)動控制技術(shù)的領(lǐng)域越來越多。本學(xué)位論文選題來源于國家自然科學(xué)基金“納米三坐標(biāo)測量機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究”，重點研究用于微小器件表面形貌測量的全場并行共焦顯微鏡關(guān)鍵部件--六自由度納米工作臺的驅(qū)動技術(shù)及驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)微動平臺的快速調(diào)整、高精度定位和微型化。
　　 六自由度納米工作臺采用單層結(jié)構(gòu)，由八個壓電陶瓷驅(qū)動器并行驅(qū)動，因此必須建立工作臺位移與各

2、驅(qū)動器驅(qū)動量之間的關(guān)系；壓電陶瓷驅(qū)動器具有位移分辨率高，體積小，響應(yīng)快，輸出力大，不發(fā)熱等優(yōu)點.但其固有的遲滯和蠕變嚴(yán)重影響了它的定位精度；驅(qū)動電源的品質(zhì)直接影響工作臺的定位精度，而目前市場上有售的壓電陶瓷驅(qū)動電源，輸出通道數(shù)、體積、輸出電壓穩(wěn)定性均難以滿足課題研制的六自由度微動工作臺并行驅(qū)動的需求。
　　 因此本論文圍繞六自由度納米工作臺高精度驅(qū)動控制技術(shù)開展了系統(tǒng)深入的研究，主要的研究工作和創(chuàng)新點如下：
　　 (1)

3、建立六自由度納米工作臺并行驅(qū)動控制模型
　　 根據(jù)六自由度納米工作臺的結(jié)構(gòu)參量，建立了工作臺三個移動參量及三個轉(zhuǎn)動參量與八個壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。
　　 (2)研究壓電陶瓷驅(qū)動器高精度的開環(huán)控制方法
　　 所研制的六自由度工作臺有微型化要求，沒有安裝位移傳感器的空間，只能采用開環(huán)控制。而壓電陶瓷驅(qū)動器的遲滯、蠕變特性嚴(yán)重影響開環(huán)控制精度。因此從壓電陶瓷材料的變形機(jī)理入手，深入研究了壓電陶瓷驅(qū)動器的遲

4、滯特性和蠕變特性，提出了壓電陶瓷驅(qū)動器的“抗遲滯”和“抗蠕變”高精度開環(huán)控制方法。實驗結(jié)果表明：壓電陶瓷驅(qū)動器的最大遲滯誤差下降了90％左右，蠕變誤差也減小了一個數(shù)量級，定位穩(wěn)定時間也大大縮短，使通過開環(huán)控制實現(xiàn)六自由度的高精度定位成為可能。上述驅(qū)動方法已申請2項國家發(fā)明專利，其中1項已獲批。
　　 (3)研制微型化多通道高精度壓電陶瓷驅(qū)動電源
　　 性能良好的驅(qū)動電源是實現(xiàn)壓電陶瓷高精度定位的關(guān)鍵，本論文研究主要從拓展

5、通道數(shù)、降紋波、抗干擾、減小體積和控制放大器工作溫度等幾個方面入手，自行研制出了微型化低紋波的多通道壓電陶瓷驅(qū)動電源，并完成了相應(yīng)的特性標(biāo)定實驗。經(jīng)測試，八路電源輸出電壓的非線性誤差小于0.05％，分辨率為6mV，靜態(tài)電壓紋波小于9mV，功率帶寬可達(dá)5kHz，連續(xù)輸出電流可達(dá)1.5A，連續(xù)工作8小時電壓變化量小于0.01％，體積僅為280*260*120mm(博實三通道壓電陶瓷電源體積為385*150*340mm)，滿足壓電陶瓷驅(qū)動的要