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《天津理工大学》 2013年
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考虑压电驱动迟滞性微操作平台的仿真与控制

吴志刚  
【摘要】:随着科技的日益发展,大型的工业型机械操作平台得到了全面的发展并且日趋成熟,然而在需要微型操作的领域里,像微装配工程、生物工程、超精密加工及军事等需要精密操作及控制的领域,都需要用具有微米级、亚微米甚至纳米的分辨率的微操作平台。近年来,微操作平台也被国内外科学工作者不断的设计、研究和创新,已经出现了许多类型的微操作平台的模型,有些也已经实际的运用到了现实生活中,例如生物医疗器械,已经出现了微米级的操作手术台;还有在微装配领域里也出现了一些精密的装配微操作手,这些微操作手只在显微镜下才能进行装配任务。可见操作平台的运用越来越受到关注。 本文主要是设计了一种新颖的二自由度柔性铰链放大机构微操作平台,即一种拥有位移放大能力的微操作平台,而且平台的分辨率可达到微米级。二自由度微操作平台的运动关节采用的是柔性铰链机构,并非传统铰链。利用柔性铰链作为微操作平台传递位移,力和力矩的运动副,比起传统的铰链来说,具有关节运动误差小,无摩擦,而且采用的是一体式加工,使得平台的结构更加紧凑等优势。同时平台利用一个二级放大机构,使得操作手有大的工作空间和小的分辨率。在现有理论基础上分析了平台的动力学、运动学和静力学,同时采用MATLAB里PSO优化工具箱对其进行了优化设计,得出了平台柔性铰链的最优尺寸。并且利用ANSYS软件对平台进行了仿真分析,分析了运动平台在一个很小的输入力时,看其输出变化情况以及应力分布情况,并且也得出了力与位移和力与应力分布关系图。 本文中微操作平台的驱动部件采用的是在驱动微小平台里常见的压电陶瓷驱动器,压电陶瓷驱动器作为其驱动部件具有很多优点,例如响应快、精度高、体积小、位移分辨率大和输出力大等特点。但也因其有迟滞性、蠕变和非线性等缺点而使得在驱动平台时,对平台的运动精度有一定的影响。其中对平台精度影响最大的是压电的迟滞效应,迟滞误差一般可达15%~20%,或者更多。因此压电的迟滞特性必须要考虑在控制中,并减少其迟滞误差。这样能使其控制更加的平稳,可靠和精确。本文针对压电迟滞的来源进行了分析,讨论了迟滞产生的原因。并分析了比较常见的迟滞补偿Preisach模型,并对其中常见的PID控制器进行了讨论和分析,并最终采用PID控制器来控制平台的运动,采用前馈补偿的方法来减少因迟滞性带来的影响,并设计出了平台的控制方案。 论文最后对平台进行了实验及机构分析的验证,得出其理论分析和实验结果相差不大,验证了分析的可靠性与准确性,最后给出了论文的结论和对未来的展望。
【学位授予单位】:天津理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TH703

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【参考文献】
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