【正文】 致動(dòng)微動(dòng)工作臺(tái)的研究將占主導(dǎo)地位。柔性鉸鏈技術(shù)的發(fā)展成熟很好 地解決了這個(gè)問題，大行程柔性鉸鏈并聯(lián)機(jī)器人的研究成為機(jī)器人研究的熱門課題。利用柔性鉸鏈的眾多優(yōu)點(diǎn)，易實(shí)現(xiàn)亞微米甚至納米級(jí)的精度。 柔性鉸鏈運(yùn)動(dòng)的測量與控制系統(tǒng) 第二章 柔性鉸鏈微動(dòng)工作臺(tái)設(shè) 計(jì) 柔性鉸鏈單元工作 原理 分析 目 前已有的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)原理， 柔性鉸鏈的基本圖形如圖 21所 圖 21 組成 柔性工作系統(tǒng)主要的基本形變是在 zM 作用下繞 Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)角 z?及轉(zhuǎn)交剛度zK?的基本公式為： ???? ? drtrbE rMdxxEI xMdxdy xxzzz ?? ????? 3]c os)2/()[3/2( c os)( )(??? 12EbMK zzz ?? 式中 ???? ? ??? 3]c os)2/([8 c os rtr r； ?—— 柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角 ； E—— 材料的彈性模 量， 2mmkg ； B—— 厚度， mm。 根據(jù)上述柔性鉸鏈 [56]的特點(diǎn)，以柔性鉸鏈為基本單元的彈性微動(dòng)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，采用電致伸縮微位移器驅(qū)動(dòng)可以滿足上述技術(shù)指標(biāo)的要求。通過在一塊板材上加工孔和開縫，使圓弧切口處形成彈性支點(diǎn)（即柔性鉸鏈）與 剩余的部分成為一體，而組成平行四連桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)在ＡＣ桿上加一力Ｆ時(shí)，由于４個(gè)柔性鉸鏈的彈性變形，使ＡＢ桿在水平方向上產(chǎn)生一位移δ，而實(shí)現(xiàn)無摩擦、無間隙和高分辨率的微動(dòng)。在這種情況下， t 往往大于或等于Ｒ。 微動(dòng)臺(tái)的基本模型及設(shè)計(jì)計(jì)算公式 如圖 22所示的微動(dòng)工作臺(tái)基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行下列假設(shè)：①工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，僅在柔性鉸鏈處產(chǎn)生彈性變形，其他部分可認(rèn)為是剛體；②柔性鉸鏈只產(chǎn)生轉(zhuǎn)角變形，無伸縮及其他變形。確定柔性鉸鏈的基本參數(shù)ｔ和Ｒ。柔性鉸鏈的基本參數(shù)ｔ，Ｒ應(yīng)滿足下列工作要求： ? 柔性鉸鏈內(nèi)部應(yīng)力要小于材料 的許用應(yīng)力。 ? 微位移器產(chǎn)生的最大位移輸出時(shí)，微動(dòng)臺(tái)的彈性恢復(fù)力應(yīng)小于微位移器的最大驅(qū)動(dòng)力。 根據(jù)微動(dòng)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)原理，微動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)模型可以簡化為一階彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，故微 mKf ?21?（ 22） 式中：ｍ — 彈性微動(dòng)臺(tái)部分的質(zhì)量。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 三 章 柔性鉸鏈微動(dòng)工作臺(tái)測量系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)論文以柔性鉸鏈為 基本單元 ， 設(shè)計(jì)了平行四桿機(jī)構(gòu)的 微動(dòng)工作臺(tái) ，以壓電陶瓷（ PZT）為驅(qū)動(dòng)， 用電容傳感器測 量該微動(dòng)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)位移， 柔性鉸鏈工作臺(tái) 運(yùn)動(dòng)范圍 達(dá) 10μm、分辨率 達(dá) 1nm。 圖 31 總體思路方案 圖 該 微位移系統(tǒng) ，由 彈性精密 微動(dòng)工作臺(tái)產(chǎn)生一個(gè)微位移量 d，使用電容式傳感器進(jìn)行測量，產(chǎn)生一個(gè)交流信號(hào)。將處理結(jié)果通過 D/A 轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，進(jìn)行PID 控制運(yùn)算，由于 PID 產(chǎn)生的信號(hào)十分微弱，無法讓壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) ，因電容式傳感 器 電容傳感器信號(hào)處理電路 A/D 轉(zhuǎn)換器 51 單片機(jī) 鍵盤輸入 6 位數(shù)碼顯示 D/A 轉(zhuǎn)換器 PID 控制器 功率放大器 PZT 柔性鉸鏈微動(dòng)工作臺(tái)的測量與控制總體方案框圖 柔性鉸鏈運(yùn)動(dòng)的測量與控制系統(tǒng) 而需通過功率放大器進(jìn)行微弱電信號(hào)的放大。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 四 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 電容式 傳感器基本工作原理 電容式傳感器 [8]是將被測參數(shù)變換成電容量的一種傳感器，它的轉(zhuǎn) 換元件實(shí)際上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容量為 d SdSC ro??? ?? 式中 S—— 兩極板間相互覆蓋的面積， 2m 。 ? —— 兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)， mF ； o? —— 真空介電常數(shù)， mFo ???? ； r? —— 兩極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)， or ??? ? 由式可見，電容量 C 的大小與 S、 d 和 ? 有關(guān)，若保持著三個(gè)參數(shù)中的兩個(gè)不變而改變另外一個(gè)，則 C 就會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)發(fā)生變化的參數(shù)的不同，電容式傳感器相應(yīng)地分為三種類型：變面積型、變極距型、變介電常數(shù)型。當(dāng)被測量的 變化引起動(dòng)極板移動(dòng)距離 x 時(shí)，則 S 發(fā)生變化， C 也就改變了。但 d 的減小受到電容器擊穿電壓的限制，而增大 b 受到傳感器體積的限制。在介電常數(shù)為 x? 的被測液體中，放入兩個(gè)同心圓筒狀電極，液體上的氣體介電常數(shù)為 ? ，液體浸沒電極的高度就是被測量 x。 式 43 表明，液面計(jì)的輸出電容 C 與液面高度 x 成線性關(guān)系。 圖 43 基本的變極距型電容傳感器 設(shè)動(dòng)極板在初始位置時(shí)與定極板的距離為 0d ，此時(shí)的初始電容量為 00 dSC ?? （ 36） 當(dāng)被測量的變化引起間距減小了 d? 時(shí)，電容量就變?yōu)? ???????? ?????????? ??????????? ??????202000001111dddddAdddAddAC??? （ 44） 當(dāng) 0dd??? 時(shí)， 11202 ???dd ，則式（ 44）可以化簡為 0000011ddCCdddAC ??????????? ???? （ 45） 此時(shí)電容變化量0001 ddCCCC ????? （ 46） 這時(shí) 1C 與 d? 近似呈線性關(guān)系，所以改變極板距離的電容式傳感器往往是設(shè)計(jì)成 d? 在極小范圍內(nèi)變化的。由于差動(dòng)結(jié)構(gòu)的變極距型電容式傳感器既提高了靈敏度，又減小了非線性誤差， 圖 46 差動(dòng)式電容器 所以在本次設(shè)計(jì)中將采用這種結(jié)構(gòu)。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 圖 47 轉(zhuǎn)換電橋電路 當(dāng)電橋輸出端開路（負(fù)載阻抗為無窮大時(shí)），電橋的輸出電壓為 211202 ZZ ZZUU SC ????? （ 49） 以111CjZ ?? ,221CjZ ?? 代入上式可得 212102 CC CCUU SC ???? （ 410） 式中， C1和 C2—— 差動(dòng)電容式傳感器的電容。 相敏檢波電路 如圖 48 所示是高輸入阻抗線性全波檢波電路圖 [11] 柔性鉸鏈運(yùn)動(dòng)的測量與控制系統(tǒng) 圖 48 高輸入阻抗線性全波檢波電路 它采用同相端輸入。 SCu 0時(shí)， VD1截至， VD2導(dǎo)通，取 R1=R2=R3=R4/2，這時(shí) N1 的輸出為 SCSCA uuRRu 2)1( 12 ??? （ 61） N2的輸出為 SCSCSCASCO uuuRRuuRRu ??????? 43)1( 3434 （ 62） 所以 Ou = SCu 相敏檢波后的輸出信號(hào) Ou 為含有直流分量的周期信號(hào)，其包含高次諧波，故進(jìn)行低通濾波。 MCS51 單片機(jī) 如圖 49，是 89C2051[13]引線排列圖 （ 1） I/O 口線 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) P0,P1,P2,P3 均為 8 位的并行 I/O 口，它們的引線為： ， ， ，共 32 條引線可以全部用來做 I/O 線，還可以將其中部分用作單片機(jī)的片外總線。 （ 2） 控制線 A、 ALE 地址鎖存允許 當(dāng)單片機(jī)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，輸出信號(hào) ALE 用于鎖存 P0 口輸出的低 8 位地址 A7A0。 EA =1，單片機(jī)先訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，若地址超過內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的范圍，單片機(jī)將自動(dòng)轉(zhuǎn)為訪問外部程序存儲(chǔ)器。在執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的程序時(shí)， PSEN 無輸出始終為高電平。器件內(nèi)部包含 18 位的高速 AD 轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、基準(zhǔn)緩沖器及錯(cuò)誤校準(zhǔn)電 路，并具有工作模式可調(diào)串口和并口 [14]。 VREF（可達(dá) 5V）； ? 大的數(shù)據(jù)吞吐量： 800kSPS（ Warp 模式）； ? 666kSPS（ Normal 模式）； ? 570kSPS（ Impulse 模式）； ? 積分非線性誤差 INL：最大為177。 18 位 DAC9881 T1 公司的 DAC9881 是目前最高精確度的 D/A 轉(zhuǎn)換芯片。它采用成熟的 HPA07 COMS 加工技術(shù)，分辨率達(dá)到 18 b，采用標(biāo)準(zhǔn)的 SPI(Serial PeripheralInteRFace)串行數(shù)據(jù)輸入方式，輸入數(shù)據(jù)時(shí)鐘頻率可達(dá) 50 MHz，最低有效位穩(wěn)定至 1 LSB，時(shí)間僅為 5μ s，滿足 DSP， MCU，F(xiàn)PGA 等系統(tǒng)的快速性要求。 2 LSB(INL)；最大微分非線性為177。該 DAC 芯片的特點(diǎn)是具有線性性質(zhì)優(yōu)良，噪音低和輸出轉(zhuǎn)換特性快速；該芯片通過采用復(fù)雜的低噪音緩沖器，使噪音比采用外接元器件構(gòu)成同等精度的 DAC 轉(zhuǎn)換器減少 75％，其噪音比為 24 nV／ Hz。這樣既可顯著地降低系統(tǒng)的功耗，同時(shí)還能夠保證在接到寫命令操作后正常寫人數(shù)據(jù)，無需外加電源控制電路，簡化設(shè)計(jì)步驟。 DAC9881 與單片機(jī)接口如圖 413 所示， 主要功能介紹如表 1所示 圖 412 DAC9881 引腳圖 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 圖 413 DAC9881 接口電路圖 表一 DAC9881 引腳功能 引腳號(hào) 引腳名 功能 1 SCLK SPI 外接串行時(shí)鐘輸入 2 SDI SPI 外接串行數(shù)據(jù)輸入 3 LDAC 工作控制端，低電平有效 8 VOUT 電壓輸出端 17 RST 復(fù)位，低電平有效 18 PND 低電壓模式使能 19 CS 片選信號(hào)，低電平有效 23 SDO SPI 總線串行數(shù)據(jù)輸出 該 DAC 芯片為 18 位轉(zhuǎn)換器，當(dāng)系統(tǒng)的滿量程輸出為 5 V 時(shí)， 1 個(gè) LSB 的值僅為 V?19 。 該芯片的數(shù)據(jù)傳輸格式是在每個(gè)寫周期中， 向 SPI 串口移位寄存器寫入 24位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其中 D17(MSB)? D0(LSB)為有效數(shù)據(jù)位， D23? D18 為無效數(shù)據(jù)位，狀態(tài)任意。 DK ， IK ， F 稱為調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)整定參數(shù)，可在一定范圍內(nèi)調(diào)整。然后逐漸增大積分系數(shù)，消除靜差的速度滿意或消除。 圖 415 PID 控制算法仿真實(shí)驗(yàn)的示意圖 調(diào)整比例、積分、微分系數(shù)后系統(tǒng)趨于穩(wěn) 定，如圖 416 所示，此時(shí)的PID 控制器參數(shù)為：比例系數(shù)為 ，積分系數(shù)為，微分系數(shù)為 。 本文采用 LM386 型號(hào)的集成功率放大電路，其主要參數(shù)如表 2 所示 表 2 LM386 主要參數(shù) 型號(hào) 電路類型 電源電壓范圍/V 靜態(tài)電源電流/mA