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摘 要

三轴联动精密工作平台是激光显微镜机械系统中的载物的枢纽部件。工作平台选用多层式结构，用压电陶瓷直线电机作为驱动，是由双对称滚珠直线导轨带动两托盘在x、y两方向上微位移精密运动；以伺服电机和滚珠丝杆组合带动载物板在z轴方向上运动。精密工作平台基本工作要求是运用在医用激光显微镜的载物平台，显微镜要求被测的小直径实物能快速精确地运动到显微镜视野内。XY平面的联动实现了高精度直线插补，运动速度在2mm/s以下，最小移动速度为1um/s，其负载在2kg以下，运动有效范围在140×60mm内。Z轴向上实现竖直方向的运动，需要一定的负载和保持能力，运动范围为30mm。研究了影响工作台精度的主要原因，通过误差的分析与测量建立了误差补偿模型。最后验证证明，通过了误差补偿工作台达到了更高的定位精度，达成了平台的设计目标

关键词：精密工作台；压电陶瓷电机；分步对角线测量；误差补偿

High-precision Three-axis Motion Platform Design and Control (5kg load)

Abstract

Three-axis precision work platform is a key component of a laser microscope mechanical loading of the system.Working platform with multi-layered structure to the piezoelectric ceramic linear motor as the drive by double symmetrical ball linear guide driven on two pallets x, y precision micro-displacement movement in both directions；A servo motor and ball screw drive with loading plate motion in the zdirection.The basic job requirements precision work platform is used in medical laser microscope carrier platform, microscopes require a small diameter physical movement can be measured quickly and accurately to the microscopic field.

High precision XY plane linkage linear interpolation, the movement speed of 2mm / s or less, and the minimum movement speed of 1um / s, the load 2kg or less, in the effective range of motion 140 × 60mm. Z achieve up ward vertical movement requires a certain load and retention, range of motion is 30mm. Effects of the main reasons work bench accuracy, error analysis and measurement error compensation model is established. Finally verification proved by the error compensation table to achieve a higher positioning accuracy, reached the design goal of the platform.

Keywords: Precision workstations; piezoelectric ceramic motors; step diagonal measurement; error compensation

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究目的和意义 1

1.2 研究目标及内容 1

1.3工作台的整体结构设计 2

1.4 课题的研究思路与方法、技术路线、试验方案及其可行性分析 2

1.4.1 运动平台的传动方案 2

1.4.2运动平台的结构方案 3

1.4.3 运动平台的通信模块 3

第二章 工作台的设计 5

2.1 工作台的机械结构设计 5

2.2驱动控制部分结构设计 8

2.2.1驱动器 8

2.2.2运动控制卡 9

2.2.3看门狗电路 12

2.2.4压电陶瓷电机 13

2．3伺服平台的建立 15

2.3.1伺服平台的运动研究 16

2.3.2平台机构优化设计 18

第三章：精密工作台的实验测试与结果分析 21

3.1误差的理论分析 21

3.2误差测量与分析 24

3.3误差补偿 24

第四章 结论 27

参考文献 28

致谢 30

第一章 绪论

1.1 研究目的和意义

我国在精密运动平台研制领域的技术至少落后于发达国家10～15年，国内较为先进的运动平台系统几乎全依靠进口。对于精密运动平台技术的研究具有十分重大的意义，掌握精密运动平台核心技术，提高尖端精密机械自主研发能力，在精密运动平台方面突破发达国家对我国的技术封锁已成当务之急。

本课题研究目的在于：设计研发一种三维精密运动平台。工作平台采用多层式结构，由双对称滚珠直线导轨带动两托板在x、y两方向上微位移精密运动；以伺服电机和滚珠丝杠的配合带动载物板在z轴方向上运动。研究影响工作台精度的主要原因，通过有限元分析、误差分析与测量建立了误差补偿模型，通过误差补偿使工作台达到了更高的定位精度，实现了平台设计的目标。

正是针对这样的需求，本文提出一种新的、可用于激光医疗显微镜系统的、低速、多自由度的、具有高精度的三轴精密运动载物平台。

本课题研究意义在于：基于直线超声电机的精密定位运动平台的驱动和控制方法的研究，为研制出具有自主知识产权的、定位精度高、适合各种环境应用的新型大行程运动平台驱动控制系统打下基础，对提升我国先进制造和装备技术能力和产业化进程、缩短与发达国家件的差距具有重要的意义。同时能够丰富我国在基于直线超声电机的运动平台上的理论和学习，为提高我国在现代IC制造、精密加工、航空航天和生物科学等重大领域的技术水平起到一定的作用。

目前，随着国外直线超声电机技术的逐步发展，精密运动平台的研究已经相当成熟，并且不断研制出高精度、大行程和高速度的运动平台。国外不断深入研究各种不同驱动和各种传动方式，从单自由度到多自由度的相关产品都已经市场化。并且，一些发达国家利用直线超声电机开发出来的精密运动平台系列产品已经在生物医学工程、科学研究、航空航天、工业控制等领域成功的应用。

1.2 研究目标及内容

研究目标：

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