垂直軸宏微復(fù)合二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及直線度誤差補(bǔ)償技術(shù)的研究

垂直軸宏微合二維運(yùn)動(dòng)臺(tái)及直線度差補(bǔ)償技的研究微納技術(shù)的發(fā)展對(duì)精密定位平臺(tái)提出了更高的要求但即使是超精密機(jī)械,在生產(chǎn)過(guò)程中也不可避免的存在制造誤差、安裝誤差等幾何誤差傳統(tǒng)設(shè)備加工精度之所以受限,跟設(shè)備本身的幾何誤差大有直接關(guān)系。直線度誤差是重要的幾何誤差之一,普通導(dǎo)軌直線度誤差無(wú)法補(bǔ)償,能通過(guò)精密加工手段或者綜合誤差補(bǔ)償手段來(lái)改善。本文提出了一種可以進(jìn)行直線度誤差補(bǔ)償?shù)拇怪陛S宏微復(fù)合平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案,對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模及仿真分析,并對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,基于正交試驗(yàn)和回歸分析得到了微動(dòng)臺(tái)的位移輸出前饋控制函數(shù)開發(fā)了直線度誤差補(bǔ)償軟件,基于實(shí)驗(yàn)研究綜合評(píng)價(jià)了宏微復(fù)合平臺(tái)的性能首次利用垂直軸宏微復(fù)合平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了普通線性導(dǎo)軌的直線度誤差補(bǔ)償先本文創(chuàng)新性的提出了一種垂直軸宏微復(fù)合二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案,即微動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向與宏動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向(宏動(dòng)臺(tái)導(dǎo)軌方向)相互垂直。為了提高平臺(tái)的承載能力,減小平臺(tái)的位移耦合,設(shè)計(jì)了承載能力較大的雙柔性平行六連桿微動(dòng)臺(tái)雙驅(qū)動(dòng)的宏微復(fù)合平臺(tái)簡(jiǎn)化為質(zhì)量彈簧-阻尼組成的二階系統(tǒng),進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析,對(duì)平臺(tái)階躍響應(yīng)進(jìn)行了仿真分析,得到了系統(tǒng)優(yōu)化配置方案：固有頻率高、阻尼小,使系統(tǒng)的超調(diào)量降低動(dòng)態(tài)跟蹤能力增強(qiáng)。其次對(duì)具有大承載力的雙柔性平行六連桿微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了靜力學(xué)力學(xué)建模及優(yōu)化設(shè)計(jì)。推導(dǎo)了微動(dòng)臺(tái)靜態(tài)剛度模型建立了轉(zhuǎn)角剛度及最大應(yīng)力校核模型；基于拉格朗日方程建立了平臺(tái)在其運(yùn)動(dòng)方向上的固有頻率解析式?；陟o動(dòng)態(tài)性能平衡的原理,采用歸一化坐標(biāo)的方式,得到了微動(dòng)臺(tái)的優(yōu)化參數(shù)動(dòng)承載平臺(tái)采用底部挖空和加強(qiáng)筋結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式使微動(dòng)臺(tái)的穩(wěn)態(tài)時(shí)間

由0.80s提高到了0.58s。采用所建立的剛度及固有頻率模型計(jì)算得到微動(dòng)臺(tái)在其運(yùn)動(dòng)方向上的理論剛度為7.92N/μm,論固有頻率為349.9Hz所建立的微動(dòng)平臺(tái)位移輸出前饋控制函數(shù)進(jìn)行了研究。對(duì)空載壓電陶瓷進(jìn)行了性能測(cè)試結(jié)果表明微動(dòng)臺(tái)的遲滯非線性隨著滿程電壓的增大而增大,遲滯最大現(xiàn)象發(fā)生在比二分之一滿程電壓小的地方而非線性位移偏離最大值也主要發(fā)生在滿程電壓的二分之一處計(jì)了微動(dòng)臺(tái)位移輸出的正交試驗(yàn),得到了因素水平為輸入電壓和預(yù)緊力的各五個(gè)水平數(shù)值下的正向和反向輸出位移數(shù)表。對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析得到了微動(dòng)臺(tái)位移輸出的二元多次函數(shù)并選擇了最優(yōu)的含有交叉項(xiàng)的二元二次函數(shù)作為微動(dòng)臺(tái)位移輸出的前饋控制函數(shù),對(duì)預(yù)緊力為60N的正向電壓及反向電壓控制函數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得到了理論與實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖后對(duì)所搭建的宏微復(fù)合平臺(tái)的宏動(dòng)臺(tái)直線度誤差進(jìn)行了測(cè)試,并設(shè)計(jì)了誤差補(bǔ)償控制軟件。基于宏動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制卡、激光干涉儀搭建了宏動(dòng)臺(tái)直線度誤差辨識(shí)系統(tǒng),對(duì)宏動(dòng)臺(tái)在200mm行程上間隔為2mm的個(gè)點(diǎn)的直線度誤差值進(jìn)行了測(cè)試,基于最小二乘法得到了補(bǔ)償前導(dǎo)軌直線度誤差為μm,并根據(jù)理想直線位置分析得到了宏動(dòng)臺(tái)誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)表?；贑++對(duì)壓電陶瓷控制軟件進(jìn)行了二次開發(fā),添加了可讀入文件功能,用回歸分析得到的位移控制函數(shù)優(yōu)化了軟件位移控制算法,為直線度誤差補(bǔ)償?shù)於嘶A(chǔ)。最后對(duì)微動(dòng)臺(tái)性能和直線度誤差補(bǔ)償進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究動(dòng)臺(tái)位移輸出實(shí)驗(yàn)表明微動(dòng)臺(tái)具有良好的動(dòng)態(tài)跟蹤性能,低頻輸出位移可達(dá)μm,能夠達(dá)到設(shè)

計(jì)要求。采用三種方法(壓電陶瓷和力傳感器的方式、基于鋼制桿件的方式、基于創(chuàng)新設(shè)計(jì)的直接施力裝置)對(duì)微動(dòng)臺(tái)剛度及其線性度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,表明采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)的微動(dòng)臺(tái)直接施力裝置測(cè)得的微動(dòng)臺(tái)上升力剛度為μm,下降力剛度為N/μm,與理論計(jì)算的誤差為6.6%,誤差最小,而力上升過(guò)程的剛度和力下降過(guò)程的剛度曲線基本重合,表明所設(shè)計(jì)的微動(dòng)臺(tái)剛度線性度較好。微動(dòng)臺(tái)承載能力實(shí)驗(yàn)表明不均勻加載對(duì)位移輸出影響更大。POLYTECH激光多普勒測(cè)振儀測(cè)得的微動(dòng)臺(tái)在其運(yùn)動(dòng)方向上的固有頻率為342.2Hz,與理論計(jì)算的誤差值為2.3%。采用垂直軸宏微復(fù)合平臺(tái)對(duì)直線度誤差進(jìn)行了補(bǔ)償,測(cè)試結(jié)果表明200mm的導(dǎo)軌