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一种粘滑驱动微操作系统的研究

魏骏杨  
【摘要】:跨尺度精密定位技术是微纳操作领域中的关键技术。作为一种满足该技术要求的累积式驱动方法,粘滑驱动系统结构紧凑,驱动波形简单,具有理论与应用价值。本文设计了一种基于柔顺机构的粘滑驱动微操作系统,并以提高该系统驱动性能为目标。主要研究内容如下:首先,粘滑驱动的实现受到驱动波形、系统动态特性、接触面摩擦力变化等诸多因素的影响。为进行定量分析并实现对系统的控制,通过抽象物理参数建立了系统的动力学模型。经讨论,将驱动机构简化为二阶质量-弹簧-阻尼模型,接触面摩擦学模型选用Lu Gre模型。针对柔顺机构的特点,对高频驱动下系统的可靠性进行了分析,给出了驱动波形参数许用值与压电陶瓷预紧力的关系式。其次,为抑制系统残余振动以提高粘滑驱动性能,对点阻滤波器、输入整形器两种开环前馈控制方法进行了研究。通过绘制残余振动比与上升时间比曲线,分析对比了两种方法的鲁棒性与响应速度。最后,对粘滑驱动系统进行了仿真分析,并搭建粘滑驱动微操作实验平台进行实验研究。仿真分析了驱动信号参数、二阶系统参数、运动块质量及预压力参数对驱动速度的影响,并且对开环前馈控制方法抑振效果进行了对比分析。仿真分析和实验结果均验证了理论模型的正确性和开环控制方法抑制残余振动、改善驱动性能的有效性。实验表明,柔顺机构的振动现象是制约微操作系统驱动性能的主要原因。


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