基于壓電疊堆的大力矩微位移平臺研究.pdf

1、作為精密工程和精密儀器關(guān)鍵技術(shù)之一的高精度微位移技術(shù)在大規(guī)模集成電路的制造與檢測、生物芯片技術(shù)、納米技術(shù)、光學(xué)組件定位、光纖對接、微電子產(chǎn)品制造、精密和超精密加工、精密操作、精密測量、生物醫(yī)學(xué)工程、材料表面原子結(jié)構(gòu)分析等許多尖端領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。微位移定位技術(shù)的發(fā)展與國家在國防軍工和國民經(jīng)濟領(lǐng)域的進步息息相關(guān)，它的各項技術(shù)指標是各國高科技發(fā)展水平的重要標志。隨著微電子技術(shù)、通訊技術(shù)和超精密加工等技術(shù)的高速發(fā)展，對精密定位技術(shù)的要求越

2、來越高，有些應(yīng)用領(lǐng)域要求系統(tǒng)具有納米級的分辨率，亞微米甚至納米級的重復(fù)定位精度。因此，微位移工作平臺被要求具有大行程、高精度、小體積和快速響應(yīng)等技術(shù)要求。
　　論文首先，對課題研究的重要性和意義進行闡述，并對微位移平臺的構(gòu)成、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，以及論文的研究內(nèi)容進行介紹。
　　其次，介紹了壓電材料的壓電效應(yīng)與壓電方程、壓電陶瓷的參數(shù)特性和壓電疊堆的工作原理和基本特性。對有限元分析方法進行了闡述，并在此基礎(chǔ)上，利用有限元分析軟

3、件ANSYS對壓電疊堆進行建模，對其位移輸出特進行了分析。結(jié)果表明，在一定條件下，壓電疊堆的輸出位移與所施加的電壓呈良好的線性關(guān)系，且一定長度的壓電疊堆，壓電陶瓷片越薄，輸出位移越大。
　　第三，針對壓電疊堆位移輸出量小的特點，提出了位移放大機構(gòu)方案，設(shè)計了基于正交三角放大原理的壓電疊堆鈸型位移放大致動器。介紹了放大機構(gòu)的工作原理。運用靜力學(xué)分析方法和能量法，對位移放大機構(gòu)的工作特性進行計算分析;運用ANSYS有限元軟件，對位移放

4、大機構(gòu)從靜態(tài)和動態(tài)兩個方面進行計算分析。對位移放大致動器的靜態(tài)和動態(tài)特性進行測試分析。理論分析和實際測試都證明基于正交三角放大原理設(shè)計并制造的壓電疊堆位移放大致動器不僅能提供較大的輸出位移和輸出力矩，而且具有優(yōu)秀的靜態(tài)和動態(tài)特性，完全能用作微位移平臺的驅(qū)動器。
　　第四，利用壓電疊堆和三角放大原理設(shè)計并制造了一個高精度、大力矩、響應(yīng)快速的微位移平臺。利用有限元分析了這一平臺的位移和應(yīng)力變化情況，以及平臺的振動模態(tài)和動態(tài)特性。同時，

5、運用激光測試的方式，對這個平臺的特性進行測試。通過靜態(tài)特性測試和動態(tài)特性測試，可以看出這個微位移平臺能穩(wěn)定快速地輸出較大位移。針對在特性測試中，壓電材料的滯后和蠕動特性提出有效的控制方式，實現(xiàn)快速準確的定位。運用LabVIEW對基于壓電疊堆微位移平臺的驅(qū)動系統(tǒng)進行設(shè)計開發(fā)。分別對開環(huán)控制、增量型PID的閉環(huán)控制和基于MatLab實現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID閉環(huán)控制三種定位控制策略進行了設(shè)計和分析。
　　最后，實驗結(jié)果表明，相比開環(huán)控制，P

6、ID的閉環(huán)控制在不影響微位移平臺響應(yīng)速度的基礎(chǔ)上，克服了壓電材料的滯后和蠕變影響，因此定位的精度和準確性都能得到很好的保證。而基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID參數(shù)自整定可以避免人工參數(shù)整定的繁瑣和不及時，進一步提高了這一微位移平臺驅(qū)動系統(tǒng)的實用性和定位的準確快速性，值得進一步在實際中進行開發(fā)應(yīng)用。
　　論文從微位移平臺的構(gòu)成出發(fā)，從壓電疊堆，到基于三角放大原理的鈸型位移致動器，再到微位移平臺，從理論分析、樣機制作和實驗測試等多反面多角度對微