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研究生:陳麒安
研究生(外文):Chi-AnChen
論文名稱:可調節剛性之三軸橡膠軸承定位平台之分析、設計與控制
論文名稱(外文):Analysis, Design and Control of a Stiffness-Tunable 3-DOF Elastomeric Bearing Positioning Stage
指導教授:陳國聲
指導教授(外文):Kuo-Shen Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:機械工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2020
畢業學年度:108
語文別:中文
論文頁數:299
中文關鍵詞:橡膠軸承精密定位平台可調整剛性ISMC解耦合控制
外文關鍵詞:elastomeric bearingpositioning stageadjustment of stiffnessISMCdecoupling control
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精密定位在精密機械領域中扮演重要角色,如快速光學反射鏡本體為一精密定位平台,搭配其精密定位系統應用於雷射加工技術中。過去的定位平台相關研究多以撓性機構設計,但撓性結構的剛性設計導致平台體積龐大、結構複雜、且難以調整其動態特性,若定位平台的性能需求更改,往往需要重新設計撓性結構,使得建造成本提高。因此有學者提出了以橡膠軸承引入定位平台設計之概念,相較於撓性機構,橡膠軸承的體積小且形狀簡單,可容易設計定位平台的非等向剛性,且透過給予橡膠軸承壓縮預力,可調整橡膠軸承的剪切剛性,因此善加利用此特性,即可建立出一可調整動態特性之定位平台,在不同工作需求中可輕易調整平台特性,大幅降低平台建造成本,但過往沒有將此特性應用於定位平台的相關研究。鑒於此問題,本論文設計並建立以最少致動器驅動之可調整剛性之三軸橡膠軸承定位平台,透過調整橡膠軸承壓縮位移進行平台動態測試,成功使平台特定軸向剛性受到影響,成功實現橡膠軸承定位平台之可調整動態特性之特點,控制器設計部分,本研究採用積分式滑動模態控制器(ISMC)結合抑制耦合補償器,使平台於Y軸、θ_X軸與θ_Z軸的控制頻寬達到250Hz、106Hz與128Hz,定位精度107nm、1.5μrad與0.9μrad,且藉由調整橡膠軸承剛性,Y、θ_X與θ_Z定位軸最佳控制頻寬為307Hz、114Hz、166Hz,有效提升特定軸向之控制性能。本研究設計並實現一可調整剛性之三軸橡膠軸承精密定位平台,藉由調整剛性機制以調整平台動態特性,並針對平台黏彈模型與耦合擾動行為建立相對應之控制方法,並搭配可調整平台動態特性之特點,有效提升平台特定軸向之定位性能,作為橡膠軸承定位平台於精密定位領域中應用之參考基礎。
A 3-DOF Y-θX-θZ rubber bearing stage with stiffness-adjustment capability is designed, realized, and controlled in this work. The stiffness of rubbers can be adjusted easily by adding a pre-compression. Base on elastomeric mechanics analysis, the stiffness of rubber and therefore dynamic characteristics of the stage can be changed with such a preload. In comparison with positioning stages designed by compliance mechanism approach, such characteristics could be an opportunity to improve the performance by replacing compliant bearing with rubber-bearing one. The effect of different pre-compression displacement on dynamics characteristics of the stage, such as stiffness, natural frequency, damping ratio, have been tested. The dynamic testing results show that with a compression of 0.6mm on a 1.5mm thick rubber, the stiffness and natural frequency increased to 140% and 118% in Y-axis and even to 280% and 168% in θ_Z-axis, respectively. Associated PID and integral sliding mode controllers are then implemented for characterizing the position control performance. Currently, the rubber bearing stage can achieve 253Hz, 110Hz and 128Hz control bandwidths by using integral sliding mode control (ISMC) with decoupled compensator, respectively in Y-θX and θZ axes motion. With adjusting stiffness of the rubber bearing, the stage can reach the control bandwidths 307Hz, 114Hz and 166Hz in Y-θX-θZ axis. The application of stiffness-tunable mechanism in rubber bearing stage can be taken as reference for precision positioning technology in the future.
摘要 I
Abstract II
Extend Abstract III
致謝 XXVI
目錄 XXVII
表目錄 XXX
圖目錄 XXXII
符號說明 XLI
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機目標 4
1.3 相關研究 6
1.4 研究方法 8
1.5 全文架構 10
第二章 研究背景介紹 12
2.1 本章介紹 12
2.2 撓性定位平台介紹 13
2.3 橡膠軸承介紹 16
2.4 橡膠軸承定位平台介紹 28
2.5 控制法則介紹 32
2.6 相關文獻總結與討論 38
2.7 本章結論 39
第三章 橡膠軸承定位平台設計與分析 40
3.1 本章介紹 40
3.2 橡膠軸承定位平台系統設計 42
3.3 平台機械設計 46
3.4 平台系統模型建立 54
3.5 平台設計討論 58
3.6 本章結論 60
第四章 系統實現與動態測試 61
4.1 本章介紹 61
4.2 實驗系統設計與實現 63
4.3 平台步階響應測試 67
4.4 平台弦波響應測試 72
4.5平台系統建模 81
4.6 平台動態測試結果討論 96
4.7 本章結論 98
第五章 調整平台橡膠壓縮量之動態測試 99
5.1 本章介紹 99
5.2 橡膠軸承壓縮設定 101
5.3 Y軸調整橡膠壓縮量之動態特性測試 102
5.4 θX軸調整橡膠壓縮量之動態特性測試 109
5.5 θZ軸調整橡膠壓縮量之動態特性測試 116
5.6 調整橡膠壓縮量之動態測試結果討論 123
5.7 本章結論 126
第六章 控制器設計與模擬 127
6.1 本章介紹 127
6.2 控制器設計流程規劃 129
6.3 單軸定位PID控制器設計與模擬 131
6.4 單軸定位ISMC控制器設計與模擬 143
6.5 三軸控制與抑制耦合補償器整合模擬 156
6.6 控制模擬性能討論 167
6.7 本章結論 169
第七章 平台定位控制實驗 170
7.1 本章介紹 170
7.2 單軸步階控制實驗 172
7.3 單軸弦波控制實驗 192
7.4 三軸PID定位控制實驗 199
7.5 三軸ISMC定位控制實驗 209
7.6 圓軌跡追蹤控制實驗 222
7.7 定位性能結果討論 224
7.8 本章結論 231
第八章 平台調節橡膠壓縮狀態之控制實驗 232
8.1 本章介紹 232
8.2 Y軸調整橡膠壓縮量之定位控制實驗 234
8.3 θX軸調整橡膠壓縮量之定位控制實驗 240
8.4 θZ軸調整橡膠壓縮量之定位控制實驗 246
8.5 調整橡膠壓縮量下之平台最佳定位控制結果 252
8.6 平台調整橡膠壓縮量之控制結果討論 266
8.7 本章結論 270
第九章 研究結果與討論 271
9.1 全文歸納 271
9.2 討論 276
9.3 未來展望與未來工作 282
9.4 本章結論 285
第十章 結論與未來展望 286
10.1 本文結論 286
10.2 本文貢獻 288
10.3 未來工作 289
參考文獻 290
附錄 294
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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