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基于惯性粘滑驱动的跨尺度精密运动平台研究

李宗伟  
【摘要】:随着纳米技术的发展,作为起重要支撑作用的惯性粘滑驱动跨尺度精密运动技术为纳米技术的研究提供了基础条件。跨尺度精密运动技术是指具有纳米级运动分辨率的同时,又具有毫米级的运动行程的精密运动技术。根据国内外发展状况,目前代表性的跨尺度精密运动技术主要有:尺蠖型驱动技术、压电超声马达、压电谐波马达、宏微混合驱动技术、粘滑驱动技术、惯性粘滑驱动技术等。其中,惯性粘滑驱动技术以其运动范围大,分辨率高,结构简单,体积小,集成度高、运动速度快等突出优点,在显微系统(SEM,STM,AFM,TEM)、光学调整、纳米压印系统、微纳操作系统、微装配系统等领域获得了广泛的应用。本文在这样的研究和应用背景下,提出以压电陶瓷作为驱动组件的跨尺度精密运动技术——惯性粘滑驱动技术的研究。在2014江苏省自然科学基金青年基金―基于惯性粘滑驱动的纳米精度跨尺度运动技术研究‖(项目编号:BK20140345)资助和和全面分析国内外惯性粘滑驱动技术的基础上,本文分别从惯性粘滑驱动摩擦机理研究、惯性粘滑驱动系统建模及仿真研究、惯性粘滑驱动平台结构研究、惯性粘滑驱动系统实验研究共四个方面进行了深入研究:首先,惯性粘滑驱动摩擦机理研究方面。介绍了惯性粘滑驱动原理,利用微滑移模型揭示了干摩擦的复杂性,将由―粘‖到―滑‖的过程分为三个阶段:完全粘滞阶段、局部滑移阶段、完全滑移阶段,并指出最终选用能够描述干摩擦内在的静态特性和动态特性的LuGre模型用于惯性粘滑驱动系统动力学模型中。在介绍了LuGre模型后仿真出LuGre模型所能反映出的摩擦学特性:预滑动现象、Stribeck效应等,最后,介绍了LuGre模型中动静态参数辨识方法。其次,惯性粘滑驱动系统建模及仿真研究方面。从数学建模的角度,进一步阐述惯性粘滑驱动系统的运动过程,数学建模包括:压电陶瓷建模和基于LuGre模型的惯性粘滑驱动系统动力学建模。利用Matlab对数学模型进行仿真研究,并依据仿真结果提出惯性粘滑驱动精密运动平台的设计准则,为惯性粘滑驱动平台的结构研究提供理论指导。再次,惯性粘滑驱动平台结构研究方面。将直梁型柔性铰链应用于惯性粘滑驱动平台中,选用多目标优化的带精英策略的快速非支配排序遗传算法优化柔性铰链的尺寸参数。依据仿真结果得出的设计准则,设计惯性粘滑驱动精密运动平台的结构,共设计出两款平台样机。最后,惯性粘滑驱动系统实验研究方面。为了测量系统的静态、动态性能,分别搭建了静态性能测试系统和动态性能测试系统,进行了样机性能测试。实验验证了一些系统参数的变化对样机运动的影响,如:惯性块质量、滑块质量、摩擦力、驱动信号频率、驱动电压幅值,并比较了实测结果与仿真结果,从而验证了理论的准确性。


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