Разработка и исследование мехатронного пьезоэлектрического схвата с микропозиционированием и очувствлением

• Автор: Крушинский, Илья Александрович
• Шифр специальности: 05.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 254 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1 АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ МИНИ И МИКРОЗА-ХВАТНЫХ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
1.1 Аналитический обзор литературы по пьезоэлектрическим схватам
и их классификация
1.2 Преимущества и недостатки пьезоэлектрического привода пальцев схвата
1.3 Анализ манипуляционных систем точного позиционирования
1.4 Обзор методов исследований пьезоэлектрических микроустройств
и постановка задач диссертации
1.5 Выводы по главе
Глава 2 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СХВАТА
2.1 Квазистатический режим работы пьезоэлектрического схвата
2.1.1 Методика постоянного эквивалентного момента
2.1.2 Уточненное решение дифференциального уравнения упругой линии биморфа пальца схвата
2.1.3 Методика эквивалентной распределенной нагрузки
2.1.4 Расчет силы на конце пальца схвата
2.1.5 Сравнительный анализ методов расчета упругой линии
пальца схвата при зажиме детали
2.1.6 Математическая модель микропозиционирования детали с помощью схвата
2.1.7 Определение грузоподъемности схвата
2.2 Динамический режим работы пьезоэлектрического схвата
2.2.1 Расчет собственной частоты механических колебаний паль-

цев схвата с деталью и без нее
2.2.2 Оценка применимости электрического резонанса для очувствления схвата
2.2.3 Электромеханическая модель пьезоэлектрического схвата
2.2.3.1 Уравнение вынужденных колебаний свободного пальца схвата и синхронных колебаний пальцев схвата с деталью
2.2.3.2 Расчет амплитуды и частоты колебаний пальца схвата
под действием внешней силы
2.2.3.3 Расчет величины ЭДС, создаваемой схватом при его работе в режиме датчика механических колебаний
2.2.4 Цифровое управление схватом в дорезонансной области частот
2.3 Оценка температурной погрешности микропозиционирования
2.4 Выводы по главе
Глава 3 РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СХВАТОМ
3.1 Алгоритмы управления пьезоэлектрическим схватом мехатрон-
ной манипуляционной системы
3.2 Микроконтроллерное управление пьезоэлектрическим схватом
3.3 Программа микроконтроллера MSP430F1121А для управления схватом
3.4 Цифровое управление напряжением питания схвата
3.5 Оптимизация массогабаритных параметров системы питания
3.6 Анализ вариантов очувствления пьезоэлектрического схвата
3.7 Результаты и выводы главы
Глава 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СХВАТА
4.1 Макет пьезоэлектрического схвата и испытательный стенд для

проведения экспериментов
4.2 Экспериментальное исследование захватывания детали
4.3 Экспериментальное определение силы, развиваемой пальцем схвата
4.4 Экспериментальное исследование микропозиционирования детали с помощью схвата и
4.5 Экспериментальное определение величин прогибов пальцев схвата и погрешности микропозиционирования
4.6 Экспериментальное исследование частотных характеристик пьезоэлектрического схвата
4.6.1 Определение амплитудно-частотной характеристики схвата
без детали
4.6.2 Определение амплитудно-частотных характеристик схвата с деталью
4.6.3 Определение амплитудно-частотной характеристики пальца схвата под действием внешней силы
4.7 Экспериментальное исследование вариантов очувствления схвата
4.8 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А

ные стратегии управления пакетным кольцевым пьезоактюатором в составе двуступенчатой приводной системы: 1) модель внутреннего контроля (Internal Model Control - IMC); 2) модель предикативного контроля (Model Predictive Control -MPC); 3) следящий режим дискретного управления (Discrete Time Sliding Mode Control DSMC); 4) и новая концепция - модель предикативного следящего режима (Model Predictive Sliding Mode Control - MPSC). Показано преимущество данных методов над классическими структурами систем управления с ПИ регулятором и системы с внешними возмущающими воздействиями. Обратная связь по положению на пьезоактюаторах в замкнутой системе управления реализуется за счет внешних датчиков и затем в модели управления учитывается наличие нелинейности поведения пьезокерамики, связанной с гистерезисом и дрейфом. Решение проблемы нелинейности предложено в данной работе, поэтому в диссертации данная проблема не рассматривается.
В работе [140] представлен метод управления кантеливером туннельного микроскопа на граничном контроллере с обратной связью по граничным уровням сенсора. Данный метод построен на модели балки Тимошенко [119].
В работе [122] модель нелинейного следящего управления исследуется теоретически и экспериментально применительно для управления двухступенчатой линейной степенью подвижности (dual-stage actuator -DSA): первая ступень является линейный двигателем и обеспечивает грубые перемещения, а вторая - пьезоактюатором и обеспечивает точные перемещения в интервале ±15 мкм. В результате исследования установлено, что время стабилизации положения пьезоактюатора при использовании модели следящего контроля на 20 % меньше, чем при использовании простой разомкнутой модели системы управления.
Адаптивное нейросетевое управление в приложении к управлению пьезоэлектрическим актюатором означает самообучающуюся в процессе работы нейросеть, способную адаптироваться к поведению конкретного образца пьезокерамики. В диссертации Flan Yao [107] разработан нейросегевой микроконтроллер для