【正文】 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(lì)和。感謝XX師兄的細(xì)心地指導(dǎo)與無(wú)私的幫助，正是在他耐心的指點(diǎn)和引導(dǎo)下，我才能順利圓滿(mǎn)地完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我從他那里學(xué)到了很多東西，讓我受益匪淺。王老師主張標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和與國(guó)際接軌，鼓勵(lì)我們多寫(xiě)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(jìng)爭(zhēng)，這一點(diǎn)讓我尤為敬佩和受益。 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(wú)論是學(xué)業(yè)的進(jìn)步、課題的完成、還是論文的撰寫(xiě)，無(wú)不傾注著王老師辛勤的汗水和心血。④本文只討論了微夾鉗的位移模型，只在這一基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了微夾鉗夾持臂的位移控制。②應(yīng)變信號(hào)處理電路的改進(jìn)，設(shè)計(jì)放大、濾波、零偏校正電路組成應(yīng)變信號(hào)處理電路，其性能并不是最佳，設(shè)計(jì)出更好的信號(hào)處理電路將會(huì)提高整個(gè)系統(tǒng)的精度。本文針對(duì)微夾鉗的夾持臂位移模型以及控制方法進(jìn)行了研究，但是無(wú)論是夾持臂位移模型以及控制方法都還有很多的問(wèn)題沒(méi)有圓滿(mǎn)的解決。通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)估，結(jié)果表明應(yīng)變信號(hào)處理電路具有較好的性能。最后對(duì)微夾鉗的位移進(jìn)行標(biāo)定。通過(guò)返回的應(yīng)變信號(hào)來(lái)決定電壓大小。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(guò)檢測(cè)應(yīng)變得出的。為實(shí)現(xiàn)微夾鉗的加持功能，本文主要研究工作是設(shè)計(jì)微夾鉗的控制系統(tǒng)。構(gòu)建了基于前一章建立的位移模型的前饋補(bǔ)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(jiǎn)化了參數(shù)整定過(guò)程?？刂葡到y(tǒng)包括惠斯通電橋、信號(hào)處理電路、dSPACE和主機(jī)幾部分。 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(shí)的控制器的臨界比例度δ，振蕩周期為T(mén)。 進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，其中比例度， 。利用MATLAB進(jìn)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(xì)的計(jì)算得出， 選用最小二乘法得出的傳遞函數(shù)： 。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(lài)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，方法簡(jiǎn)單、易于掌握，但是這種方法需要做大量的實(shí)驗(yàn)，耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計(jì)算整定法，它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。(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(jì)的核心內(nèi)容。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。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(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零?？刂葡到y(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。對(duì)一個(gè)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。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(jiǎn)單的控制方式。系統(tǒng)主要PID控制器和受控對(duì)象組成，作為一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成的偏差并對(duì)偏差按比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。 前饋控制Fig. Feedforward control前饋控制是將擾動(dòng)信號(hào)經(jīng)前饋控制器處理后用以消除擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)被調(diào)量的影響，它是按擾動(dòng)進(jìn)行的補(bǔ)償控制，所以前饋控制又叫作擾動(dòng)補(bǔ)償，擾動(dòng)補(bǔ)償屬于開(kāi)環(huán)控制，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性無(wú)影響。這一控制利用微夾鉗位移模型前饋補(bǔ)償控制補(bǔ)償壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯，通過(guò)PID反饋控制實(shí)現(xiàn)對(duì)微夾鉗夾持的閉環(huán)控制，以彌補(bǔ)模型誤差和不可測(cè)量的干擾。但是單純閉環(huán)控制不提供預(yù)測(cè)的控制作用，即不能提前補(bǔ)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(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，控制系統(tǒng)很可能長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)渡過(guò)程中，不能進(jìn)入期望的穩(wěn)定狀態(tài)。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。測(cè)得的紋波電壓， mV，放大倍數(shù)為200時(shí)紋波電壓小于13 mV。 同輸入時(shí)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(duì)信號(hào)處理電路進(jìn)行了紋波電壓測(cè)試。可得信號(hào)放大處理電路的非線性度。取其大者，%。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。對(duì)開(kāi)發(fā)的應(yīng)變檢測(cè)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)改變應(yīng)變信號(hào)的大小以及整個(gè)處理電路的放大倍數(shù)來(lái)分析電路的性能。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(shí)前幾放大電路輸出不為零，這就需要引入零偏校正電路。由于應(yīng)變信號(hào)比較微弱，而應(yīng)變信號(hào)頻率相當(dāng)?shù)停?~5Hz）且噪聲主要是高頻，故可通過(guò)中高頻濾波。在濾波器的設(shè)計(jì)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(shí)延遲越明顯，降低了信號(hào)的實(shí)時(shí)性。 low offset voltage of 50 max.。AD620的增益關(guān)系式如下 () ()AD620的基本特點(diǎn)是精確度高、使用簡(jiǎn)便、低噪聲，應(yīng)用十分廣泛，下表為AD620的規(guī)格特性。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。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(duì)較小。而且由于UU2選用相同特性的運(yùn)放，所以他們的共模輸出電壓和漂移電壓也都相同，再通過(guò)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(qiáng)的共模抑制能力和較小的輸出漂移電壓。其中。因此采用了儀用放大電路來(lái)增強(qiáng)放大電路的精度和溫度穩(wěn)定性。包括放大、濾波、零偏校正電路。由于共模信號(hào)很大（），而差模信號(hào)很?。ā?0mV），所以要通過(guò)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。在第三章中已經(jīng)講過(guò)了力與位置傳感，即利用壓阻應(yīng)變片來(lái)獲得力與位置信號(hào)。根據(jù)微夾鉗驅(qū)動(dòng)電源的特點(diǎn)和性能的要求，以及考慮到性?xún)r(jià)比等其他因素，我們采用了中國(guó)臺(tái)灣艾德克斯公司生產(chǎn)的IT6122型高精度可編程電源。甚至當(dāng)電源關(guān)閉，已經(jīng)充電的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器也不會(huì)立即卸荷，而是經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間（1小時(shí)）才恢復(fù)到初始位置。陶瓷材料的電阻值很高（10MΩ），工作過(guò)程中只有很小的漏電流。電壓控制型驅(qū)動(dòng)電源又分為開(kāi)關(guān)式和電流放大式兩種，開(kāi)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。由于處于實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)階段，本文暫只考慮實(shí)現(xiàn)位移控制（力控制相對(duì)復(fù)雜，但整體控制方法相同）。該壓電微夾鉗的控制量是電壓V，反饋信號(hào)是夾持臂的應(yīng)變信號(hào)ε。重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 微夾鉗的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4 微夾鉗的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)電壓是關(guān)鍵。為滿(mǎn)足測(cè)量的要求設(shè)計(jì)出相應(yīng)的力/位移傳感器。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。粘附力主要包括：范德華力、表面張力、靜電力等。但與傳統(tǒng)的宏裝配不同的是當(dāng)被夾持物的幾何尺寸小于1 mm時(shí)，微夾鉗和被夾持物之間的粘附力將大于被夾持物的重力，成為主要作用力。這種方法可以在被測(cè)系統(tǒng)或生產(chǎn)過(guò)程正常運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行在線辨識(shí)，測(cè)試結(jié)果精度較高。圖 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的正弦波輸入曲線圖 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的正弦波響應(yīng)輸出曲線 實(shí)際測(cè)得與擬合的模型的曲線%。輸入的信號(hào)為0~5Hz頻率逐漸增大的正弦波信號(hào)。這種方法的原理和數(shù)據(jù)處理比較簡(jiǎn)單，測(cè)試精度比時(shí)域法高，但測(cè)試工作量大。=pinv(Q)*B39。Q(m,3)=A(m)。Q(m,1)=10*((m*)^2)。Q=zeros(600:3)。end。for m=1:600。A=a*。a(m)=sum(s(1:m))。a =zeros(600:1)。對(duì)y(t)由時(shí)間0到t進(jìn)行兩次積分，再定義 () () () ()可以得到 ()通過(guò)把系統(tǒng)輸出響應(yīng)的采樣值代入等式()，可以得到一組線性方程組 ()其中 表示由第m個(gè)采樣點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行計(jì)算。這里講的是用階躍輸入和其響應(yīng)輸出來(lái)確定被研究對(duì)象的傳遞函數(shù)。時(shí)域測(cè)定的主要過(guò)程是對(duì)被測(cè)系統(tǒng)或?qū)ο笤谳斎攵耸┘与A躍擾動(dòng)輸入信號(hào)，而在輸出端測(cè)繪其輸出量隨時(shí)間變化的相應(yīng)曲線；或者施加脈沖輸入，測(cè)繪輸出的脈沖響應(yīng)曲線，再對(duì)響應(yīng)曲線的結(jié)果進(jìn)行分析，確定被研究對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定法加以驗(yàn)證。 位置傳感器電橋輸出電壓與夾爪位移隨驅(qū)動(dòng)電壓變化曲線 Calibration of the position sensor 應(yīng)變式位置傳感器與多普勒測(cè)振儀結(jié)果的比較在對(duì)微夾鉗力傳感器和位移傳感器進(jìn)行標(biāo)定后，就不再需要外界附加力或位置傳感器來(lái)測(cè)量微夾鉗的夾持力和夾爪位移。應(yīng)變式力傳感器的重復(fù)性偏差。應(yīng)變片輸出信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電壓之間亦呈現(xiàn)遲滯特性關(guān)系，應(yīng)變片輸出信號(hào)可以正確反映夾爪的位移信號(hào)。 微段梁變形 柔性懸臂梁受力應(yīng)變?cè)茍D測(cè)量夾爪位移的應(yīng)變片粘貼在平行四邊形機(jī)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(shí)，無(wú)夾持力作用，平行四邊形在壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)力下產(chǎn)生變形，應(yīng)變片的輸出信號(hào)僅與平行四邊形變形有關(guān)，因此應(yīng)變片輸出信號(hào)反映了平行四邊形的變形量信號(hào)，即夾爪的位置信號(hào)。 mN時(shí)，懸臂梁所受應(yīng)變情況。當(dāng)電橋激勵(lì)電壓為6V，電橋連接方式為差動(dòng)電橋(即n＝2)，夾持力為50 mN時(shí)，由式()計(jì)算得電橋輸出電壓V59 mV。該本文開(kāi)發(fā)的微夾鉗中懸臂梁的尺寸分別為：L=6 mm，b= mm，h= mm，懸臂梁材料為鈦合金，彈性模量E=117 Gpa。由式()和()可得 ()由式()可知，當(dāng)惠斯通電橋激勵(lì)電壓和懸臂梁的材料一定時(shí)，不平衡電壓V與懸臂梁所受的力和懸臂梁長(zhǎng)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。(a)所示為端部受力的懸壁梁，其撓曲線方程 ()式中I為懸臂梁的慣性矩，E為材料的彈性模量。如圖所示為Entran Device 公司的半導(dǎo)體電阻式應(yīng)變片。微夾鉗中的應(yīng)變式力傳感器一般是將金屬應(yīng)變片或半導(dǎo)體應(yīng)變片粘貼在一段柔性梁上構(gòu)成。利用半導(dǎo)體材料做成的壓阻式傳感器有兩種類(lèi)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(lèi)是在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻，稱(chēng)擴(kuò)散型壓阻傳感器。半導(dǎo)體材料的一般在50～100，可近似認(rèn)為，則半導(dǎo)體材料的靈敏系數(shù)。通常金屬絲的靈敏系數(shù)左右。金屬或半導(dǎo)體電阻受軸向拉力時(shí)，將伸長(zhǎng)，橫截面積響應(yīng)減小，電阻率因晶格變化等因素的影響而改變，故引起電阻值變化，則有：。下面介紹一下應(yīng)變式傳感器，及在微夾鉗中的應(yīng)用。在第一章中已經(jīng)介紹過(guò)。夾爪移動(dòng)或變形可通過(guò)位置傳感器得到，夾持力通常通過(guò)測(cè)量夾爪移動(dòng)或變形間接測(cè)得。為了得到微夾鉗夾爪與被夾持物之間的相對(duì)位置，更加可靠地完成微操作任務(wù)，還常常需要集成位移傳感器?？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。不同尺寸的SiO2球和Si平板之間的粘附力與SiO2球的重力的比較，尺寸越小，這些力的作用越明顯當(dāng)被夾持物的尺寸很小時(shí)，雖然有些微夾鉗借助這些表面作用力來(lái)夾持物體，但是這些力是不可控的，它們對(duì)微操作過(guò)程的不利影響遠(yuǎn)大于它們的積極作用。由于粘附力大于重力，這樣就造成了夾鉗在微操作過(guò)程中不能正常釋放物體，[8]。重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 力與位置傳感器3 力與位置傳感 粘附力及其克服方法微裝配與微操作過(guò)程中，微夾鉗最基本的功能是夾持、保持和釋放被操作物體。微夾鉗的力和位移傳遞機(jī)構(gòu)，主要采用了柔順機(jī)構(gòu)與柔性鉸鏈、微位移放大機(jī)構(gòu)、平行四邊形機(jī)構(gòu)。蓋板僅起保護(hù)作用，沒(méi)有其他功能。兩個(gè)位置的應(yīng)變片分別實(shí)現(xiàn)力和位移的檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)的力和位移可以實(shí)現(xiàn)微夾鉗的力與位移反饋控制。微夾鉗采用應(yīng)變式傳感器(HU1011K)實(shí)現(xiàn)位移和力的傳感，其中實(shí)現(xiàn)力傳感的應(yīng)變片粘貼在與夾爪相連的柔性梁上。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(jī)構(gòu)相連。AAAABBC、D各鉸鏈的切割半徑分別用、