【正文】 間的粘附力將大于被夾持物的重力，成為主要作用力。在微夾鉗中，力和位置的傳感方式一般相同，主要有應(yīng)變式、壓電式、電容式和光電式傳感器四種。重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 微夾鉗的控制系統(tǒng)設(shè)計4 微夾鉗的控制系統(tǒng)設(shè)計該微夾鉗系統(tǒng)要能產(chǎn)生理想的位移和適中的夾持力，控制合適的驅(qū)動電壓是關(guān)鍵。由于處于實驗開發(fā)階段，本文暫只考慮實現(xiàn)位移控制（力控制相對復(fù)雜，但整體控制方法相同）。陶瓷材料的電阻值很高（10MΩ），工作過程中只有很小的漏電流。根據(jù)微夾鉗驅(qū)動電源的特點和性能的要求，以及考慮到性價比等其他因素，我們采用了中國臺灣艾德克斯公司生產(chǎn)的IT6122型高精度可編程電源。由于共模信號很大（），而差模信號很小（～20mV），所以要通過高增益、低漂移的差分放大電路才能把電壓變化穩(wěn)定在（0～10V）內(nèi)，這樣才適合A/D轉(zhuǎn)換芯片采樣。因此采用了儀用放大電路來增強放大電路的精度和溫度穩(wěn)定性。而且由于UU2選用相同特性的運放，所以他們的共模輸出電壓和漂移電壓也都相同，再通過U3組成的差分放大電路，可以互相抵消，所以該放大電路又具有很強的共模抑制能力和較小的輸出漂移電壓。在AD620的1腳和8腳上接可調(diào)電阻（），這樣就可以根據(jù)需要選擇調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的大小。 low offset voltage of 50 max.。由于應(yīng)變信號比較微弱，而應(yīng)變信號頻率相當(dāng)?shù)停?~5Hz）且噪聲主要是高頻，故可通過中高頻濾波。對開發(fā)的應(yīng)變檢測電路進行實驗測試，通過改變應(yīng)變信號的大小以及整個處理電路的放大倍數(shù)來分析電路的性能。取其大者，%。 同輸入時不同放大倍數(shù)與輸出電壓的關(guān)系②紋波為考量電路的穩(wěn)定性，對信號處理電路進行了紋波電壓測試。因此帶有輸出反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)逐漸為人們所采用，并成為控制方式的主流。這一控制利用微夾鉗位移模型前饋補償控制補償壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯，通過PID反饋控制實現(xiàn)對微夾鉗夾持的閉環(huán)控制，以彌補模型誤差和不可測量的干擾。系統(tǒng)主要PID控制器和受控對象組成，作為一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成的偏差并對偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大?？刂葡到y(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法，它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。利用MATLAB進行仿真，必須先得到微夾鉗的傳遞函數(shù)，在本文第三章中已經(jīng)詳細的計算得出， 選用最小二乘法得出的傳遞函數(shù)： 。 臨界振蕩法參數(shù)設(shè)置表調(diào)節(jié)方式PPIPID③1 /4衰減振蕩法同臨界振蕩法一樣, 所不同的是調(diào)節(jié)Kp 使系統(tǒng)出現(xiàn)1 /4振蕩，此時的控制器的臨界比例度δ，振蕩周期為T。構(gòu)建了基于前一章建立的位移模型的前饋補償和PID反饋的控制，利用已得到的傳遞函數(shù)在MATLAB中采用Ziegler Nichols法仿真得到PID控制器的參數(shù)的方法，簡化了參數(shù)整定過程。而判斷是否接觸到微小物體并且產(chǎn)生了多大的力，我們是通過檢測應(yīng)變得出的。最后對微夾鉗的位移進行標(biāo)定。本文針對微夾鉗的夾持臂位移模型以及控制方法進行了研究，但是無論是夾持臂位移模型以及控制方法都還有很多的問題沒有圓滿的解決。④本文只討論了微夾鉗的位移模型，只在這一基礎(chǔ)上實現(xiàn)了微夾鉗夾持臂的位移控制。王老師主張標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和與國際接軌，鼓勵我們多寫多用英文，目的是著眼于世界范圍內(nèi)的學(xué)術(shù)交流與競爭，這一點讓我尤為敬佩和受益。感謝父母、家人和朋友在生活和學(xué)習(xí)上給予的關(guān)心和教育鼓勵和。感謝XX師兄的細心地指導(dǎo)與無私的幫助，正是在他耐心的指點和引導(dǎo)下，我才能順利圓滿地完成我的畢業(yè)設(shè)計，我從他那里學(xué)到了很多東西，讓我受益匪淺。 致謝致 謝本文的研究工作是在我的導(dǎo)師XXX教授的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的，無論是學(xué)業(yè)的進步、課題的完成、還是論文的撰寫，無不傾注著王老師辛勤的汗水和心血。②應(yīng)變信號處理電路的改進，設(shè)計放大、濾波、零偏校正電路組成應(yīng)變信號處理電路，其性能并不是最佳，設(shè)計出更好的信號處理電路將會提高整個系統(tǒng)的精度。通過實驗評估，結(jié)果表明應(yīng)變信號處理電路具有較好的性能。通過返回的應(yīng)變信號來決定電壓大小。為實現(xiàn)微夾鉗的加持功能，本文主要研究工作是設(shè)計微夾鉗的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包括惠斯通電橋、信號處理電路、dSPACE和主機幾部分。 進行參數(shù)設(shè)定，其中比例度， 。二是工程整定方法，例如參數(shù)歸一法和試湊法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，方法簡單、易于掌握，但是這種方法需要做大量的實驗，耗時過長。(2) PID控制器的參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是PID控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化超前，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。對一個控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的。其傳遞函數(shù)為 () PID控制系統(tǒng)原理圖Fig. Schematic diagram of the PID control systemPID控制器的比例、積分、微分三種校正環(huán)節(jié)的主要作用：① 比例(P)控制，比例控制是一種最簡單的控制方式。 前饋控制Fig. Feedforward control前饋控制是將擾動信號經(jīng)前饋控制器處理后用以消除擾動對系統(tǒng)被調(diào)量的影響，它是按擾動進行的補償控制，所以前饋控制又叫作擾動補償，擾動補償屬于開環(huán)控制，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性無影響。但是單純閉環(huán)控制不提供預(yù)測的控制作用，即不能提前補償已知壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯，并且由于壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯一般都在14％左右，對閉環(huán)控制系統(tǒng)產(chǎn)生較大的擾動，控制系統(tǒng)很可能長時間處于過渡過程中，不能進入期望的穩(wěn)定狀態(tài)。測得的紋波電壓， mV，放大倍數(shù)為200時紋波電壓小于13 mV。可得信號放大處理電路的非線性度。定義應(yīng)變電路的非線性度為 ()式中 為最大非線性誤差；為電路的最大輸出電壓。電路參數(shù)為：放大倍數(shù) =2 截止頻率 由于壓阻應(yīng)變片本身制作以及安裝上存在各種偏差，導(dǎo)致了在工作力或位移為零時前幾放大電路輸出不為零，這就需要引入零偏校正電路。在濾波器的設(shè)計中，濾波器階數(shù)的選擇很重要，階數(shù)越高，幅頻特性越平緩，濾波效果越好，但同時延遲越明顯，降低了信號的實時性。AD620的增益關(guān)系式如下 () ()AD620的基本特點是精確度高、使用簡便、低噪聲，應(yīng)用十分廣泛，下表為AD620的規(guī)格特性。在性能上，AD620芯片要比相同原理的三片放大器放大電路要優(yōu)越很多，誤差相對較小。其中。包括放大、濾波、零偏校正電路。在第三章中已經(jīng)講過了力與位置傳感，即利用壓阻應(yīng)變片來獲得力與位置信號。甚至當(dāng)電源關(guān)閉，已經(jīng)充電的壓電陶瓷驅(qū)動器也不會立即卸荷，而是經(jīng)過較長的時間（1小時）才恢復(fù)到初始位置。電壓控制型驅(qū)動電源又分為開關(guān)式和電流放大式兩種，開關(guān)式功率損耗小，效率高，但是輸出電壓的紋波較大，頻率范圍較窄，直流放大式則頻率范圍較寬。該壓電微夾鉗的控制量是電壓V，反饋信號是夾持臂的應(yīng)變信號ε。為滿足測量的要求設(shè)計出相應(yīng)的力/位移傳感器。粘附力主要包括：范德華力、表面張力、靜電力等。這種方法可以在被測系統(tǒng)或生產(chǎn)過程正常運行狀態(tài)下進行在線辨識，測試結(jié)果精度較高。輸入的信號為0~5Hz頻率逐漸增大的正弦波信號。=pinv(Q)*B39。Q(m,1)=10*((m*)^2)。end。A=a*。a =zeros(600:1)。這里講的是用階躍輸入和其響應(yīng)輸出來確定被研究對象的傳遞函數(shù)。因此，即使在已用分析法得到數(shù)學(xué)模型的情況下，仍希望通過實驗測定法加以驗證。應(yīng)變式力傳感器的重復(fù)性偏差。 微段梁變形 柔性懸臂梁受力應(yīng)變云圖測量夾爪位移的應(yīng)變片粘貼在平行四邊形機構(gòu)的單邊柔性鉸鏈上，當(dāng)微夾鉗未夾持物體（或夾爪未與被夾持物接觸）時，無夾持力作用，平行四邊形在壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動力下產(chǎn)生變形，應(yīng)變片的輸出信號僅與平行四邊形變形有關(guān)，因此應(yīng)變片輸出信號反映了平行四邊形的變形量信號，即夾爪的位置信號。當(dāng)電橋激勵電壓為6V，電橋連接方式為差動電橋(即n＝2)，夾持力為50 mN時，由式()計算得電橋輸出電壓V59 mV。由式()和()可得 ()由式()可知，當(dāng)惠斯通電橋激勵電壓和懸臂梁的材料一定時，不平衡電壓V與懸臂梁所受的力和懸臂梁長度及應(yīng)變片的敏感系數(shù)成正比，與懸臂梁的寬度和厚度的平方成反比。如圖所示為Entran Device 公司的半導(dǎo)體電阻式應(yīng)變片。利用半導(dǎo)體材料做成的壓阻式傳感器有兩種類型：一種是利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成的粘貼式應(yīng)變片；另一類是在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成擴散電阻，稱擴散型壓阻傳感器。通常金屬絲的靈敏系數(shù)左右。下面介紹一下應(yīng)變式傳感器，及在微夾鉗中的應(yīng)用。夾爪移動或變形可通過位置傳感器得到，夾持力通常通過測量夾爪移動或變形間接測得?？朔掣搅Φ姆椒ㄓ校?)增加微夾鉗與被夾持物接觸表面的粗糙度，如在接觸表面加工小的椎體；2)在微夾鉗與被夾持物接觸表面覆蓋防水涂層或在微夾鉗上使用加熱烘干裝置以減小表面張力；3)在干燥環(huán)境下裝配或在真空中裝配；4)使用表面不易氧化的傳導(dǎo)材料制造微夾鉗。由于粘附力大于重力，這樣就造成了夾鉗在微操作過程中不能正常釋放物體，[8]。微夾鉗的力和位移傳遞機構(gòu)，主要采用了柔順機構(gòu)與柔性鉸鏈、微位移放大機構(gòu)、平行四邊形機構(gòu)。兩個位置的應(yīng)變片分別實現(xiàn)力和位移的檢測，通過檢測的力和位移可以實現(xiàn)微夾鉗的力與位移反饋控制。微夾鉗采用壓電疊堆執(zhí)行器提供力和位移輸入，壓電疊堆執(zhí)行器一端固定，另一端與柔順結(jié)構(gòu)的杠桿機構(gòu)相連。(a)中，AAA3和A4是單邊切口柔性鉸鏈，BBC和D是雙邊切口柔性鉸鏈。(a)，單片微夾鉗柔順機構(gòu)由基于雙邊切口直圓柔性鉸鏈((a)所示)的杠桿機構(gòu)(和)和基于單邊切口直圓柔性鉸鏈((b)所示)的平行四邊形機構(gòu)(和)分別通過連桿和兩端的雙邊切口直圓柔性鉸鏈連接而成。為了方便在平行四邊形機構(gòu)的柔性鉸鏈上布置位移傳感器，本文采用單邊直圓柔性鉸鏈（(b)所示）。高精度與大行程是一對矛盾，但在很多應(yīng)用中需要大行程高精度的放大機構(gòu)。其輸入輸出關(guān)系不容易用解析法得到，可以由有限元軟件仿真得到。常見的位移放大機構(gòu)有杠桿機構(gòu)，橋式放大機構(gòu)、菱形放大機構(gòu)、橢圓機構(gòu)、平面四連桿機構(gòu)、ScottRussell機構(gòu)等[47]。對于微小變形，遠小于1，因此式()可寫為： ()梁的變形量或轉(zhuǎn)角為 ()雙邊直圓柔性鉸鏈剛度的簡化公式可寫為： ()式中，E為材料的楊氏模量，r和t分別代表柔性鉸鏈的切割半徑和厚度，b代表柔性鉸鏈的寬度。橢圓形柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動精度與轉(zhuǎn)動范圍介于片簧式和直圓型之間，可用于設(shè)計對轉(zhuǎn)動精度與轉(zhuǎn)動范圍均有要求的微夾鉗柔順機構(gòu) [10]。對于切口型柔性鉸鏈，根據(jù)切口的形狀又可分為直圓型（Right circular flexure (c)、(d)）和橢圓型（Elliptical flexure (b)）。由于幾何上的改變，柔性部分的剛度比其他剛性部分要小的多。MEMS加工的平面特性和尺度限制使得零件的安裝很困難，給構(gòu)造微型機械裝置帶來一系列的挑戰(zhàn)，柔順機構(gòu)則給出了許多解決這些問題的答案。與剛性機構(gòu)不同，柔順機構(gòu)不僅由運動副傳遞運動，還至少從其柔性部件的變形中獲得一部分運動，并且有一部分能量以應(yīng)變能的形式儲存在柔性部件中。[34]①柔順機構(gòu)力/位移傳遞機構(gòu)力/位移傳遞機構(gòu)設(shè)計用于傳遞驅(qū)動器提供的力和位移。由于表面張力和范德華力不可控制，因此利用這些力夾持物體的微夾鉗可靠性不高，操作中存在很多問題。這兩種夾持方式實質(zhì)上都是利用氣壓差產(chǎn)生的力來夾持物體的。這種方式優(yōu)點是可用于非常薄的物體，－ N/mm2。利用微夾鉗與被夾持物之間的摩擦力來夾持物體是最常見的方式，這種夾鉗一般具有兩個或多個手爪。由于壓電驅(qū)動具有位移分辨率高、響應(yīng)速度快、輸出力大，換能效益高等優(yōu)點，因此本文選用壓電疊堆執(zhí)行器作為微夾鉗的驅(qū)動器。驅(qū)動器控制單元是用于驅(qū)動模塊供電、控制的單元，例如：用于壓電陶瓷驅(qū)動器的高壓驅(qū)動電源等。位置傳感器主要用于測量微夾鉗夾爪位置，以保證微夾鉗順利地完成夾持任務(wù)。功能模塊是微夾鉗系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分。由于要達到高的控制精度必須犧牲控制速度,因此,為了達到比較滿意的效果,引入了前饋控制環(huán)節(jié)。實現(xiàn)途徑：在微夾鉗夾持臂上集成電阻應(yīng)變片,通過檢測應(yīng)變信號同時實現(xiàn)微夾鉗的閉環(huán)控制以及夾持力的檢測。而力反饋控制系統(tǒng)，能夠檢測和控制夾持臂和物體間的接觸力，保證夾持臂穩(wěn)定、可靠的工作，同時可以有效防止微器件的損壞和提高裝配和操作精度，使系統(tǒng)具有較強的適應(yīng)性，但是不容易與驅(qū)動器集成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜等。在微操作的過程中，由于集成力傳感器能有效及時得獲取微力反饋信息，能實現(xiàn)高精度和可靠的控制。加拿大British Columbia Vancouver大學(xué)研制的遙操作微機械手，采用螺線管執(zhí)