【正文】 中文摘要壓電致動(dòng)微夾鉗夾爪位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 生：XXX學(xué) 號(hào)：XXX指導(dǎo)教師：XXX助理指導(dǎo)教師：XXX 專 業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器二O一零年六月IV重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 中文摘要Design on the position control system of a piezoelectrically driven monolithic microgripperUndergraduate: Du ShushuaiSupervisor: Prof. Wang Dai HuaAssistant Supervisor: Dong HaominMajor: Measuring and Control Technology amp。 InstrumentsThe College of Optoelectronic EngineeringJune 2010摘 要微裝配機(jī)器人在微零件裝配、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、精密光學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。由于壓電陶瓷具有結(jié)構(gòu)緊湊、分辨率高、響應(yīng)快、無摩擦等優(yōu)點(diǎn)，故由壓電元器件驅(qū)動(dòng)的微夾鉗比較普遍。本章針對(duì)這一困難提出并研究了帶前饋補(bǔ)償和PID的位移閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，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。最后對(duì)位移傳感器進(jìn)行位移標(biāo)定。通過實(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。關(guān)鍵詞：微裝配與微操作，微夾鉗，力/位置控制，位移模型，前饋補(bǔ)償，PID控制 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ABSTRUACTABSTRACTMicroassembly robot is demanding in various fields, such as microparts assembly, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)and precise optical projects. As the endeffector of microassembly robot, Microgripper directly determine the effectiveness of robots. As the piezoelectric ceramic actuator has a pact structure, high resolution, fast response, nonfriction, etc., the microgripper with piezoelectric actuation are mon. The piezoelectric ceramic actuators present the strong hysteresis nonlinear relationship between output displacement and driving voltage, which lets the control for the piezoelectric ceramic actuators be difficult. In this dissertation, aiming at this difficulty, the closed loop feedback control system with feedforward pensation and PID feedback is proposed and studied for microgripper which make pensation for the strong hysteresis relationship between output displacement and driving voltage by the feedforward pensation and realize the closed loop feedback control system with the PID feedback to make Compensate for model error and immeasurability interference.The major research works pleted in this dissertation include:①Aiming at that it is difficult to establish the displacement model of microgripper in theory, the relationship between output displacement and driving voltage of the piezoelectric ceramic actuator is fixed through experiments. Then the displacement model is established through the least squares system identification or recognition MATLAB function. Finally, the displacement of sensor is calibrated.②In order to realize the displacement control of the microgipper arms, the microgripper control system which consists of the Wheatstone bridge, strain signal processing circuit, dSPACE and host puter is designed. The strain signal processing circuit consists of amplifier, filter, zerooffset correction circuit is proposed and studied. The research results show that the strain signal processing circuit has good performance through experimental analysis. ③ In this dissertation, aiming at the hysteresis nonlinear relationship between output displacement and driving voltage of the piezoelectric ceramic actuator, the closed loop feedback control system with feedforward pensation and PID feedback is proposed and studied. Basing on fixing the displacement function, the PID parameters is tuned by using Ziegler Nichols Act in MATLAB, which simplify the process of parameter tuning. Keywords: microassembly and microoperation, microgripper, force/position control, displacement model, feedforward pensation, PID controlIII重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄目 錄中文摘要 IABSTRACT II1 緒論 1 引言 1 微夾鉗的發(fā)展現(xiàn)狀 1 2 壓電體驅(qū)動(dòng)的柔性機(jī)構(gòu)微夾鉗 2 壓電陶瓷雙晶片驅(qū)動(dòng)微夾 4 5 視覺伺服控制系統(tǒng) 6 力反饋控制系統(tǒng) 6 92 壓電致動(dòng)微夾鉗系統(tǒng)構(gòu)成及結(jié)構(gòu) 11 11 11 13 13 16 18 19 本章小結(jié) 213 力與位置傳感 22 粘附力及其克服方法 22 23 24 27 30 30 33 35 354 微夾鉗的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 36 36 36 37 38 41 41 42 45 引言 45 46 PID控制 46 505 全文總結(jié)與展望 51 本文的主要研究工作 51 51致 謝 53參考文獻(xiàn) 54V重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論1 緒論 引言微裝配機(jī)器人在微零件裝配、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、精密光學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。它在微機(jī)械零件的加工、裝配、生物工程和光學(xué)等領(lǐng)域均有很好的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)外正在研究的微夾鉗多種多樣，根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式、結(jié)構(gòu)、材料和工藝等的不同有著不同的分類方法，由于驅(qū)動(dòng)方式直接決定了夾鉗主體的結(jié)構(gòu)尺寸和性能，進(jìn)而決定了材料和加工工藝的選擇，因此驅(qū)動(dòng)方式在微夾鉗設(shè)計(jì)中占有主要地位，決定夾鉗的夾持力的大小和夾持范圍的大小，是微夾鉗設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 微夾鉗的發(fā)展現(xiàn)狀根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同，微夾持器可分為：壓電夾持、靜電夾持、電熱夾持、電磁夾持、真空夾持、粘附材料夾持和形狀記憶效應(yīng)夾持等。該夾持器由表面硅工藝制作，采用了梳狀電容結(jié)構(gòu)，主體部分由多晶硅構(gòu)成，厚2 μm，最大長度500 μm，在20 V電壓下微夾持臂位移量為10 μm。其它基于熱驅(qū)動(dòng)的微夾持器包括外置熱源式微夾持器、內(nèi)置熱源式微夾持器以及用形狀記憶合金薄膜與硅制作的微夾持器[3,4]。與傳統(tǒng)的鐵芯－銅線繞制的微驅(qū)動(dòng)器不同，該驅(qū)動(dòng)器采用微細(xì)加工工藝制作。以上是幾種典型的微夾持器，各有優(yōu)缺，清華大學(xué)研制的組合式微夾持器，它將不同的驅(qū)動(dòng)原理與結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以期達(dá)到揚(yáng)長避短的目的。德國夫朗霍費(fèi)生產(chǎn)技術(shù)與自動(dòng)化研究所研制出一種用用酒精作為粘附液的粘附夾持方案[7]。針尖處有一與針管中心線成30176。角的端面，作為吸附的接觸面。表 微夾持器特征及特點(diǎn)分類結(jié)構(gòu)特征特點(diǎn)靜電驅(qū)動(dòng)平板電容驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力相對(duì)較大，位移小，控制難，IC兼容性好梳狀電容驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力與位移無關(guān)，位移大，驅(qū)動(dòng)力小，IC兼容性好壓電驅(qū)動(dòng)壓電體驅(qū)動(dòng)位移小，通常與放大結(jié)構(gòu)配合使用，驅(qū)動(dòng)力大，難以與IC工藝兼容，體積大，驅(qū)動(dòng)電壓高壓電薄膜驅(qū)動(dòng)位移小，通常與放大結(jié)構(gòu)配合使用，驅(qū)動(dòng)力大，難以與IC工藝兼容，體積大，驅(qū)動(dòng)電壓高熱驅(qū)動(dòng)記憶合金驅(qū)動(dòng)力大，變形量大，難以與IC工藝兼容記憶合金薄膜/硅結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力大，變形量大，體積小，IC兼容性好電磁驅(qū)動(dòng)內(nèi)置電磁元件驅(qū)動(dòng)力較大，變形量較大，體積大，不與IC工藝兼容外置電磁元件驅(qū)動(dòng)力較小，體積小，IC兼容性好以上列舉的是MEMS領(lǐng)域研制的幾種典型微夾持器。主要的問題在于是微夾持器的微型化、集成化、以及智能化等，這是亟需解決的問題壓電陶瓷具有響應(yīng)速度快，分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在國內(nèi)外出現(xiàn)的微夾鉗中壓電驅(qū)動(dòng)是最常見的驅(qū)動(dòng)方式之一。 壓電體驅(qū)動(dòng)的柔性機(jī)構(gòu)微夾鉗圖1,1所示為日本名古屋大學(xué)的Arai等人研制的壓電驅(qū)動(dòng)微夾鉗[8,9]，該夾鉗采用兩級(jí)杠桿式柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)，使用兩塊壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，用以產(chǎn)生一大一小兩種位移，150 um， um。 集成力傳感器的壓電驅(qū)動(dòng)微夾鉗[10]，該微夾持器采用光敏玻璃由紫外曝光技術(shù)制成，夾持力范圍幾mN～50 mN。(a)中的夾持器使用鎳材料，用LIGA技術(shù)制造，每個(gè)夾持臂最大位移可達(dá)250 μm，該夾持器，在兩臂上貼有半導(dǎo)體應(yīng)變片測(cè)量夾持力，并對(duì)其控制。(a) (b) (a) LIGA鎳微夾鉗 (b) EDM高彈性合金微夾鉗 壓電陶瓷雙晶片驅(qū)動(dòng)微夾日本的Seki研制了雙懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電雙晶片微夾鉗[15]，該夾鉗采用商業(yè)化的壓電雙晶元件(Mitsubishi Kasei MPEC1: 6mm x 25mm x in thickness)，一端粘在不銹鋼基底上構(gòu)成懸臂梁，一端粘有不銹鋼尖端。該夾鉗在50V電壓下指間位移到達(dá)400 μm，夾持力可達(dá)20 mN。圖1. 5 壓電晶體驅(qū)動(dòng)微操作手 另外，還有德國的Keoschkerjan[17]，美國的Goldfarb[18]，法國的Rabenorosoa[19],南洋理工大學(xué)的Nah[20]，也分別研制了不同結(jié)構(gòu)的壓電驅(qū)動(dòng)微夾持器，在此不詳細(xì)介紹。但這會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，使可靠性降低。 視覺伺服控制系統(tǒng)到目前為止，顯微視覺仍然是獲取微裝配信息有效可靠的手段。顯微視覺提供了底層非接觸的反饋信息，能提高高精度的反饋信息。它解決了因?yàn)楣鈱W(xué)顯微鏡結(jié)構(gòu)上的限制，傳統(tǒng)意義上的由平行雙光路構(gòu)成的立體視覺方案難以實(shí)現(xiàn)的問題。兩路實(shí)時(shí)顯微圖像信息由多通道實(shí)時(shí)視頻采集卡采集，并在上位監(jiān)控機(jī)上顯示、存儲(chǔ)以及處理、識(shí)別。 力反饋控制系統(tǒng)在微力傳感器的發(fā)展方面，隨著微機(jī)械加工技術(shù)在過去二十年間的逐步成