上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海 201620
压电驱动柔性微纳米定位平台通常呈现低阻尼谐振模态，高速运动时易激发机械谐振，从而严重影响控制系统稳定性、控制带宽和轨迹跟踪精度。为消除当前谐振控制器对平台动力学建模精度的依赖性，该文设计了一种自适应陷波滤波器来实现压电微纳定位平台的在线实时抑制谐振。首先，搭建了压电驱动柔性微纳定位平台系统并建立其机电耦合动力学模型；其次，利用快速傅里叶变换方法在线分析了闭环系统误差信号，设计平台频率特性提取算法，实现了对陷波滤波器参数的在线自适应整定；最后，利用所设计的自适应陷波滤波器对阶跃信号和三角波信号进行轨迹跟踪实验。实验结果表明，自适应陷波滤波器可以很好地实现谐振的在线抑制，能够有效提升平台的稳定性和轨迹跟踪精度。
微纳米定位平台 压电陶瓷驱动器 在线谐振抑制 自适应陷波滤波器 柔性机构 micro/nano positioning platform piezoelectric ceramic driver online resonance suppression adaptive notch filter flexible mechanism
1 广东工业大学 省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室， 广东广州50006
2 广东工业大学 广东省微纳加工技术与装备重点实验室，广东广州510006
3 广东工业大学 广东省信息物理融合系统重点实验室，广东广州510006
为在微米级尺度量化表述离面位移激励值-聚焦面内微视觉运动追踪精度劣化值的映射特性，使用光学显微镜、工业相机和空间纳米定位平台进行实验研究。首先，分析离面位移的形成机理，使用方差函数评价图像清晰度，搜索最佳对焦平面并设定为聚焦平面，作为计算离面位移的基准。其次，设计空间多自由度纳米台，将其末端执行器作为微视觉追踪目标，生成聚焦平面内的运动轨迹，同时同步生成可控可测的离面位移。然后，选取灰度值模板匹配法与感兴趣区域划分法作为当前微视觉运动追踪算法，测量聚焦面内的运动轨迹。最后，加工纳米台样机，搭建微视觉运动追踪系统，使用电容传感器作为评价手段，计算不同离面位移引起的微视觉运动追踪精度劣化数值。实验结果表明，微视觉运动追踪精度随着离面位移的增大而不断劣化，具有显著且可量化的相关性。针对给定的76.1 μm×63.7 μm视场、15 Hz采样率与灰度值模板匹配法，（7.7±2.5） μm或更大的离面位移导致微视觉测量系统完全失效。
微视觉运动追踪 离面位移 精度劣化 纳米定位平台 micro-vision motion-tracking out-of-focused-plane displacements accuracy degradation nano-positioning stage
长沙理工大学 电气与信息工程学院, 湖南 长沙 410076
针对一类存在非线性迟滞特性的纳米定位压电驱动器的控制问题, 使用了一种与被控系统无关的自耦比例-积分-微分(ACPID)控制方法。该方法将系统内部所有复杂因素及外部扰动定义为一个总扰动, 建立了以总扰动为激励的受控误差系统, 进而设计了基于ACPID控制理论的压电定位控制系统。理论分析了ACPID控制系统的鲁棒稳定性和抗扰动鲁棒性。仿真结果表明, ACPID控制系统的有效性不仅具有更快的响应速度、更高的控制精度, 且具有良好的抗扰动鲁棒性, 在压电定位系统控制领域具有较大应用价值。
迟滞 纳米定位 压电驱动 自耦比例-积分-微分(ACPID)控制 鲁棒稳定性 抗扰动鲁棒性 hysteresis nano positioning piezoelectric actuation auto-coupling PID(ACPID) control robust stability anti-disturbance robustness
1 上海大学 机电工程与自动化学院, 上海 200072
2 苏州大学 机器人与微系统研究中心, 江苏 苏州 215021
本文设计了一种由压电陶瓷驱动的应变片进行检测的平面三自由度纳米定位平台, 该平台采用的是平板铰链、直圆铰链及单边V型铰链导向的3-PRR结构。通过建立平台的伪刚体模型及对其进行位姿分析, 获得了平台的正、逆解。同时, 运用有限元分析方法对平台进行了仿真分析。搭建了3-PRR平面三自由度纳米定位平台测试实验系统对所设计平台进行试验。实验结果显示: 3-PRR平台沿x轴、y轴的行程及最大转角分别为-11.32~11.41 μm、-12.47~12.76 μm、3.63′, 对应的分辨率分别为71 nm、83 nm、1.35″。理论分析结果、有限元仿真结果与实验结果的最大误差分别为587%、6.19%, 验证了理论分析和有限元仿真的正确性。x轴及y轴的位移输出与应变片的输出电压近似呈正比关系, 证实了利用应变片来检测3-PRR平台运动的可行性。
纳米定位 柔性铰链 压电陶瓷 有限元分析 位移检测 Nano-positioning flexible hinge piezoelectric ceramics finite element analysis displacement detection
中国计量学院 机电工程学院,浙江 杭州 310018
由于压电陶瓷驱动器作纳米定位控制系统驱动元件会导致定位过程中出现超调及振荡现象,故提出了一种新的基于外差干涉仪和自制高频相移电路的光电相移压电陶瓷驱动方法。实验论证了在严格控制的实验环境下,压电陶瓷能实现自主位置锁定并以纳米量级步距值被逐步推进。步距值可控的压电陶瓷驱动器与商用宏动平台结合,可实现纳米精度重复性的大行程定位系统。实验结果表明,对于5 mm往返行程的位移,在靠近目标处执行理论值为5 nm步距值的步进位移时,系统的定位重复性精度小于1 nm。该定位方法规避了压电陶瓷的机械非线性误差,具有系统架构简单,定位速度快等优点,可应用于当前纳米科技和超精密加工等领域。
纳米定位系统 外差干涉仪 压电陶瓷执行器 高频相移电路 宏、微二级运动 nano-positioning system heterodyne interferometer piezoelectric actuator high frequency phase-shifting circuit macro-micro dual movement 光学 精密工程
2014, 22(10): 2773
合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院, 安徽 合肥 230009
基于宏微组合驱动方式, 提出一种具有角度修正功能的大行程二维纳米工作台设计方案来减小精密测量系统中由于工作台定位及角度误差引入的测量误差。首先, 从原理上对设计方案进行了论证。该方案中宏动工作台和微动工作台共用位置反馈系统构成闭环控制, 并基于压电陶瓷致动器及柔性铰链设计的六自由度微动工作台对宏动工作台进行直线定位误差及角度误差的综合补偿。然后, 基于设计方案设计了宏动工作台及微动工作台的结构。最后, 对安装调试后的宏微工作台系统进行了直线组合定位测试及角度误差修正测试。实验结果表明, 该工作台系统的宏动行程达到了200 mm×200 mm; 在闭环控制下, 通过六自由度微动工作台的补偿作用可使各角度偏差由上百秒降至10″以内, 由此工作台系统在全行程内的直线定位误差可由3 μm降至25 nm以内。实验结果验证了提出的组合定位系统的有效性。
六自由度工作台 宏微二级驱动 纳米定位 角度误差补偿 6-DOF stage macro-micro dual driving nano-positioning angle error correction
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
介绍了一种用于在线检测纳米定位平台的全自动六维纳米测量系统。提出了整波长干涉测量方法, 可以避免激光干涉仪的非线性影响, 使系统能够得到准确校准, 达到纳米级精度。该测量系统可以测定6个自由度, 三维直线运动测量范围为100μm×100μm×100μm, 分辨率能够达到1nm以下。
光学测量 纳米定位平台 整波长 激光干涉仪 非线性 optical measurement nano-positioning stage integral wavelength laser interferometer nonlinearity
1 中国科学院 自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
2 中国科学院 光电技术研究所， 四川 成都 610209
3 中国科学院研究生院, 北京 100039
介绍了一种空间三自由度纳米定位平台，其应用背景为光刻投影物镜波像差检测系统的精密对准，因此对定位精度和定位速度都提出了很高的要求。首先简要介绍了空间三维纳米定位台;然后将模糊控制同传统PI(比例积分)控制相结合，利用定位偏差和偏差变化率信息，通过模糊推理实时调整PI控制参数，并在VC++环境下实现了模糊自整定PI参数的控制算法。实验结果表明，该控制方法较常规PI控制器能够有效地提高响应速度，减小阶跃响应超调量，保证了控制的实时性。
压电驱动器 纳米定位 精密对准 模糊控制 piezo-electric actuator nano-positioning precision alignment fuzzy control
上海交通大学 物理系光学与光子学研究所,上海 200240
提出了时间反演方法来控制等离子纳米系统中能量最强点的位置。该方法是基于纳米系统中对某一点局域超短脉冲激发的远场的时间反演。尽管在金属等离子系统中存在很强烈的干扰和严重的相位移动和分散,并且所作的时间反演并不完整,但是该方法在控制纳米尺度的光场能量时十分有效,可应用于纳米分光镜、光学调制、超密信息存储和纳米信息处理等领域。
表面光学 纳米定位 时间反演 表面等离子体
1 泰山学院,物理与电子科学系,山东,泰安,271021
2 山东大学,电子束研究所,山东,济南,250061
压电陶瓷存在着迟滞非线性特性,而且在运行过程中,特性的变化规律也是未知的、不确定的,难以用传统方法获取既有足够精确性又不至于过分复杂的压电陶瓷微位移工作台的数学模型.基于神经网络,本文提出了一种新的建模方法.分析了微位移工作台的结构和建模方法,利用神经网络的自学习和自适应能力,在线调整模型结构和参数,减小工作台的建模误差,为控制系统提供了更为准确的模型信息.采用工作台的位移数据对网络模型进行了训练,实验结果表明,在80 μm行程范围内,工作台的平均定位误差为80 nm,最大误差为100 nm,基本满足纳米定位的精度要求.
精密工作台 压电陶瓷 纳米定位 神经网络 系统辨识 光学 精密工程
2007, 15(10): 1596
