基于GMA的二自由度精密微定位平臺及控制系統(tǒng)研究.pdf

1、精密定位技術是國家制造水平的重要標志，是國家先進制造技術的主要支柱，同時還是精密驅動、精密測量、精密加工中的關鍵技術之一。精密定位系統(tǒng)是精密定位技術得以實現(xiàn)的載體，研究提高精密定位系統(tǒng)性能的方式，為研發(fā)高性能精密加工裝備，實現(xiàn)高檔數控機床與基礎制造裝備的發(fā)展目標，實施《中國制造2025》戰(zhàn)略均具有重大意義。
　　針對壓電陶瓷驅動的精密定位平臺存有行程短、負載小、驅動電壓高等問題，論文基于超磁致伸縮材料(Giant Magnetos

2、trictive Material，簡寫為GMM)設計出一種精密定位平臺的驅動系統(tǒng)，并結合設計的柔性鉸鏈傳動機構和開發(fā)的控制系統(tǒng)，研制出一種高性能的精密定位系統(tǒng)。采用理論建模、電磁場仿真、靜、動力學有限元計算、數值分析和實驗研究相結合的方法對所研制的精密定位系統(tǒng)進行深入研究?；赟toner-Wohlfarth模型的自由能能量極小原理，建立了GMM單磁疇自由能的極值數學模型，得出了外加應力和外加磁場作用下磁疇偏轉角度的變化規(guī)律，揭示了G

3、MM的磁致伸縮機理。提出了基于GMM的大推力驅動器的新結構和基于柔性鉸鏈的精密傳動新機構，確定了具體的設計尺寸。建立了精密定位平臺的輸出模型，引入了一種粒子群和人工魚群混合的模型參數辨識算法。構建了控制系統(tǒng)的軟硬件平臺，采用動態(tài)遞歸神經網絡(Dynamic RecurrentNeural Network，簡寫為DRNN)前饋-模糊PID反饋控制策略。研究結果表明，采用雙線圈磁場結構、碟簧螺釘組合的預壓應力機構和水管密繞水冷降溫系統(tǒng)進行驅

4、動器結構設計，得出了偏置磁場、預壓壓力以及工作溫度的最佳參數，并得到驅動器最大位移為80μm，最大輸出力為292.3N;采用Jiles-Atherton模型描述系統(tǒng)的磁滯特性，引入粒子群和人工魚群混合優(yōu)化算法進行磁滯模型的參數辨識，采用DRNN獲得系統(tǒng)的磁滯逆模型進行前饋控制，采用模糊PID對系統(tǒng)輸出位移進行反饋控制，使系統(tǒng)的定位精度達到0.75μm，定位分辨力為10nm，X、Y方向的定位行程分別為30.8μm、40.5μm，最大重復性

5、誤差為0.6μm。
　　論文各章內容如下:
　　第一章介紹了課題來源、研究背景和研究意義，分析了精密定位系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，得出可從提升驅動器性能、設計精密傳動機構和提高控制系統(tǒng)可靠性三個方面提高精密定位系統(tǒng)的整體性能，并總結了這三個方面的國內外研究現(xiàn)狀，確定了本論文的研究內容。
　　第二章基于Stoner-Wohlfarth模型的自由能極小原理，建立了GMM磁疇的自由能極值模型，研究了外加應力和外加磁場載荷作用下磁疇偏轉

6、角度的變化規(guī)律，揭示了GMM的磁致伸縮機理，并以此為基礎，從GMM棒材選型、磁場結構、預壓應力機構以及溫控系統(tǒng)設計等四個方面進行優(yōu)化設計，提出一種基于GMM的大推力驅動器新結構，確保了精密定位平臺的驅動器性能。
　　第三章分別建立了超磁致伸縮驅動器（Giant Magnetostrictive Actuator，簡寫為GMA）的電磁場模型、磁滯模型和磁致伸縮模型，優(yōu)化分析了電磁場的性能;數值仿真分析了磁滯模型，得到了偏置磁場和預壓

7、應力對磁致伸縮應變的影響規(guī)律;建立了GMA的機械應力場弱解控制方程和磁致伸縮本構方程，并采用有限元法仿真分析，得出了最佳的驅動參數，為后續(xù)改善驅動器的磁滯非線性和提高控制精度提供理論依據。
　　第四章提出了一種二自由度柔性鉸鏈平臺的新結構，并基于柔性鉸鏈設計理論，建立了輸出位移與輸入力之間的靜、動力學模型;采用數值仿真分析方法，優(yōu)化了柔性鉸鏈的幾何尺寸，得出了最優(yōu)的設計參數;基于建立的動力學方程，分析了柔性鉸鏈平臺的振動特性，得到

8、了平臺的固有頻率;最后采用ANSYSWorkbench和MTALAB軟件平臺對平臺進行靜力學和動力學仿真分析，驗證了建立的靜、動力學模型，得出了柔性鉸鏈平臺的傳動特性。
　　第五章提出了一種粒子群和人工魚群混合優(yōu)化的參數辨識算法，同時引入了DRNN前饋-模糊PID反饋控制策略，并基于MATLAB/SIMULINK模塊進行仿真驗證，仿真結果表明:提出的參數辨識算法具有較高辨識精度，引入的控制策略是有效的。
　　第六章搭建了GM

9、A實驗平臺，實驗測試了GMA的雙線圈磁場強度、輸出力以及不同偏置磁場和不同預壓應力下的輸出位移，驗證了磁場強度模型，得出了最佳驅動參數;搭建了柔性鉸鏈平臺實驗裝置，實驗驗證了所建立的靜、動力學模型;搭建了精密定位平臺控制系統(tǒng)的硬件結構，開發(fā)了控制系統(tǒng)的軟件平臺，實驗驗證了所提出控制策略的有效性;最后，測試了精密定位平臺的定位行程、重復性、定位精度、分辨力和響應時間。
　　第七章總結了全文的研究內容和創(chuàng)新之處，展望了今后的研究工作。