一種壓電陶瓷執(zhí)行器控制臺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種實驗用控制臺，特別是涉及一種采用了壓電陶瓷執(zhí)行器的實驗用控 制臺。
【背景技術(shù)】
[0002] 國外在超精密平臺的設(shè)計研究起步的比較早。這促進了國外發(fā)達國家對精密平 臺及其相關(guān)科學的研究美國國家關(guān)鍵技術(shù)委員會將納米技術(shù)列為政府重點支持的22項關(guān) 鍵技術(shù)之一，美國國家基金會亦將納米技術(shù)列為優(yōu)先支持的關(guān)鍵技術(shù)之一，美國許多著名 大學都設(shè)有納米技術(shù)研究機構(gòu)，如北卡羅萊納大學的精密工程中心，康乃爾大學的國家納 米加工實驗室，路易斯安那大學的微米制造中心等等。日本把納米技術(shù)作為ERATO計劃中 6項優(yōu)先高技術(shù)探索項目之一，投資2億美元發(fā)展納米技術(shù)；筑波科學城的交叉學科研究中 心把納米技術(shù)列入2個主要發(fā)展方向之一。英國國家納米技術(shù)（NION)計劃已開始實行，在 英國的Cranfield大學成立了以納米技術(shù)為研究目標的精密工程中心。歐洲的其它國家也 不示弱，把納米技術(shù)列入了"尤里卡計劃"。
[0003] 在上世紀80年代中后期，國內(nèi)學者相繼提出了宏微雙重驅(qū)動技術(shù)，紛紛發(fā)表學術(shù) 論文展開研究討論，目前它是實現(xiàn)大行程、高精度定位的一種有效手段。例如清華大學教授 吳鷹飛、周兆英（清華大學精密儀器與機械學系）的《壓電驅(qū)動柔性鉸鏈機構(gòu)傳動實現(xiàn)超精 密定位》一文中就詳細介紹了壓電元件和柔性鉸鏈的概念與特點，列舉壓電元件與柔性鉸 鏈機構(gòu)結(jié)合實現(xiàn)超精密定位的典型例子，包括超精密測量、超精密加工、光學自動聚焦和大 行程超精密定位。為使超精密定位工作臺的結(jié)構(gòu)緊湊，還提出了單驅(qū)動多自由度運動機構(gòu)， 應(yīng)用蠕動式的運動原理可合成機構(gòu)上的多自由度運動，并實現(xiàn)大行程運動。設(shè)計了對稱結(jié) 構(gòu)的柔性鉸鏈機構(gòu)實現(xiàn)導向功能。
[0004] 哈爾濱工業(yè)大學超精密光電儀器工程研究所的葉樹亮，譚久彬博士的《具有納米 分辨力二維超精密定位系統(tǒng)的研制》一文針對傳統(tǒng)超精密定位系統(tǒng)存在位移靈敏度、系統(tǒng) 頻響及重復(fù)定位精度難以兼顧的問題，設(shè)計并研制了一種具有納米分辨力的二維超精密定 位系統(tǒng)。系統(tǒng)集成平行四連桿結(jié)構(gòu)雙柔性二維工作臺無間隙傳動、雙極性可伸縮壓電陶瓷 微位移驅(qū)動和納米精度電容位移監(jiān)測等先進技術(shù)，在微處理器控制下可實現(xiàn)納米量級的定 位。為改善傳統(tǒng)PID控制方法存在的精度低、實時性差等缺陷，提出了一種結(jié)合定位過程中 各階段系統(tǒng)不同響應(yīng)特性的比例、積分和微分（PID)參數(shù)自適應(yīng)控制算法。
[0005] 哈爾濱理工大學機械動力工程學院的孟兆新，胡乃文兩位在《三維精密定位工作 臺的控制系統(tǒng)的研究》一文中對三維精密工作臺快速定位系統(tǒng)的控制原理及結(jié)構(gòu)組成進行 了研究，并對系統(tǒng)進行理論和實驗分析。為了實現(xiàn)高精度的快速定位，系統(tǒng)采用了獨立伺 服控制技術(shù)以及變結(jié)構(gòu)的PID自適應(yīng)控制算法，達到了滿意的定位精度。
[0006] 綜上所述，從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看使用宏微結(jié)合的模式再配合陶瓷壓電執(zhí)行 器。采用兩級傳動機構(gòu)的超精密平臺是比較容易實現(xiàn)和切合實際的一種超精密平臺設(shè)計方 法。這種方案在學校中為學生精密試驗、實驗都能提供足夠的幫助。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是為解決目前的技術(shù)方案供學生使用的精密實驗平臺不足，精密實 驗臺價格太高的問題，提供一種簡單方便，成本低廉的壓電陶瓷執(zhí)行器控制臺。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種壓電陶瓷執(zhí)行器控制臺，由電 源供電，包括平臺、平臺傳動器、平臺電機、平臺電機驅(qū)動器、平臺位移檢測裝置、平臺控制 器、通訊電路、控制電腦、D/A轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動電路、壓電陶瓷執(zhí)行器、執(zhí)行器位移檢測裝置和 A/D轉(zhuǎn)換器，所述平臺控制器通過通訊電路與控制電腦電連接，所述平臺控制器通過平臺電 機驅(qū)動器與平臺電機連接，所述平臺電機的輸出軸通過平臺傳動器與平臺機械連接，所述 平臺位移檢測裝置配設(shè)在所述平臺電機的輸出軸上，平臺位移檢測裝置的輸出端與平臺控 制器電連接，所述控制電腦通過D/A轉(zhuǎn)換器與驅(qū)動電路的輸入端連接，驅(qū)動電路的輸出端 與壓電陶瓷執(zhí)行器連接，對應(yīng)壓電陶瓷執(zhí)行器配設(shè)有執(zhí)行器位移檢測裝置，執(zhí)行器位移檢 測裝置通過A/D轉(zhuǎn)換器與控制電腦電連接。上位機采用PC機，下位機采用AT89C51單片機 為核心設(shè)計，測量系統(tǒng)采用的是光柵尺電路，宏平臺采用直流電機驅(qū)動滾珠絲杠帶動原理 設(shè)計。
[0009] 硬件系統(tǒng)是實現(xiàn)精密定位的基礎(chǔ)。本精密定位系統(tǒng)采用宏-微相結(jié)合的兩級模式 來實現(xiàn)大行程、高精度、高速的定位，其硬件系統(tǒng)由宏平臺進給系統(tǒng)、位移測量系統(tǒng)、微位移 定位系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。首先介紹了精密定位系統(tǒng)硬件的總體構(gòu)成，然后分別對宏平 臺伺服進給系統(tǒng)、光柵位移測量計數(shù)系統(tǒng)、微位移精密定位系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 進行了詳細的分析。精密定位系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)X-Y精密定位平臺采用了宏平臺和微平臺 相結(jié)合的模式，微位移平臺固定安裝在宏平臺的上底板上，兩平臺的運動中心重合。宏平臺 完成高速、大行程、微米級定位，微位移定位平臺用以完成對宏平臺定位誤差的補償。通過 兩級機構(gòu)的組合，共同實現(xiàn)了大行程高精度的定位動作。
[0010] 作為優(yōu)選，所述控制電腦為配設(shè)有誤差變換模塊、自適應(yīng)控制模塊和遲滯控制模 塊的控制電腦，所述誤差變換模塊的輸入量為給定量和執(zhí)行器位移檢測裝置的反饋值，所 述誤差變換模塊的輸出至與自適應(yīng)控制模塊的輸入值連接，所述自適應(yīng)控制模塊的輸出至 遲滯控制模塊，遲滯控制模塊的輸出值輸出對壓電陶瓷執(zhí)行器進行控制。
[0011] 作為優(yōu)選，所述遲滯控制模塊包括遲滯模塊、遲滯算子模塊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，遲 滯模塊、遲滯算子模塊的輸入端均與自適應(yīng)控制模塊的輸出端連接，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的輸入 端與遲滯算子模塊的輸出端連接，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的輸入端還與自適應(yīng)控制模塊的輸出端連 接，遲滯模塊輸出正反饋值與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊輸出的負反饋值共同輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的反饋 端。
[0012] 作為優(yōu)選，所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為包含若干個神經(jīng)元模塊的兩層結(jié)構(gòu)，所述兩層結(jié)構(gòu)為 一個隱層和一個輸出層，所述每個神經(jīng)元模塊均包括激勵函數(shù)模塊和權(quán)值模塊；誤差變換 模塊是將系統(tǒng)誤差通過變換處于預(yù)先設(shè)定在期望的誤差范圍內(nèi)；自適應(yīng)控制模塊輸入信號 為誤差變換后的誤差，對轉(zhuǎn)換的誤差進行實時控制和調(diào)整，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出端輸出控制信號 對壓電陶瓷執(zhí)行器進行控制。
[0013] 作為優(yōu)選，所述平臺控制器為51單片機，所述通訊電路包括MX232芯片和九針接 口，所述51單片機的通訊串口依次通過MX232芯片和九針接口與控制電腦電連接。
[0014] 作為優(yōu)選，所述平臺電機驅(qū)動器包括PffM波形產(chǎn)生電路和信號處理電路構(gòu)成，所 述PWM波形產(chǎn)生電路由74LS373芯片和8253芯片組成的，所述平臺控制器通過74LS373芯 片與8253芯片的輸入端連接，8253芯片的輸出端通過信號處理電路與所述平臺電機電連 接。8253內(nèi)部具有三個功能完全相同相互獨立的計數(shù)器（0, 1，2)，每一個計數(shù)器都可工作 于6種方式中的任一種，整個8253只有一個控制寄存器，它的內(nèi)容決定了計數(shù)器的操作 方式，8253內(nèi)部具有三個功能完全相同相互獨立的計數(shù)器（0, 1，2)，每一個計數(shù)器都可工 作于6種方式中的任一種，整個8253只有一個控制寄存器，它的內(nèi)