基于Preisach模型的光纤定位单元R机构精定位的实现

顾胜良; 王建平; 胡红专; 褚家如

doi:10.37188/OPE.20223018.2205

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基于Preisach模型的光纤定位单元R机构精定位的实现

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2022-09-26

- 基于Preisach模型的光纤定位单元R机构精定位的实现
- Realization of precise positioning of fiber positioning unit R mechanism based on Preisach model
- 光学精密工程 2022年30卷第18期页码：2205-2218
- 作者机构：
  
  中国科学技术大学工程科学学院，安徽合肥 230027
- 作者简介：
  
  [ "顾胜良（1996-），男，安徽天长人，硕士研究生，2019年于安徽大学获得学士学位，主要从事压电陶瓷精密定位方面的研究。E-mail： gus2018@163.com" ]
  [ "王建平（1965-），男，福建武平人，副教授，1987年于合肥工业大学获得学士学位，主要从事天文精密仪器光纤定位新技术的研制。E-mail： wjp@ustc.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(U2031207)
- DOI：10.37188/OPE.20223018.2205
  中图分类号： TH751
- 收稿日期：2022-06-15，
  
  修回日期：2022-07-11，
  
  纸质出版日期：2022-09-25
- 稿件说明：
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顾胜良,王建平,胡红专等.基于Preisach模型的光纤定位单元R机构精定位的实现[J].光学精密工程,2022,30(18):2205-2218.

GU Shengliang,WANG Jianping,HU Hongzhuan,et al.Realization of precise positioning of fiber positioning unit R mechanism based on Preisach model[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(18):2205-2218.
顾胜良,王建平,胡红专等.基于Preisach模型的光纤定位单元R机构精定位的实现[J].光学精密工程,2022,30(18):2205-2218. DOI： 10.37188/OPE.20223018.2205.

GU Shengliang,WANG Jianping,HU Hongzhuan,et al.Realization of precise positioning of fiber positioning unit R mechanism based on Preisach model[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(18):2205-2218. DOI： 10.37188/OPE.20223018.2205.

摘要

下一代大规模光谱巡天测量项目，需要更小尺寸和高精度的光纤定位单元。本文提出了

http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990265&type=

http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34990258&type=

1.60866666

2.37066650

形式光纤定位单元的R机构精定位部分设计方案，通过使用叠堆式压电陶瓷并结合柔性铰链式杠杆位移放大机构，实现了R机构精定位部分的位置精度。为了尽量减小迟滞非线性对精定位精度的影响，采用经典的Preisach模型建立了放大后输出位移的驱动模型，并在此基础上进行了相应的优化。最终建立的精定位位移模型的平均误差在4 μm以内，相比于最大40 μm的非线性误差，误差得到了大幅度下降。实验结果表明，通过Preisach模型所建立的位移模型进一步提高了精定位的定位精度，满足了精定位的误差设计需求，同时也为后期粗定位留下了更大的设计空间。

Abstract

Next generation large-scale spectroscopic survey projects may require smaller and high-precision fiber-positioning units. In this paper， a design scheme of the precise positioning part of the R mechanism of an

fiber-positioning unit is proposed. Stacked piezoelectric ceramics combined with a flexible hinge lever displacement amplifying mechanism are used to achieve positional accuracy of the precise positioning part of the R mechanism. To minimize the influence of hysteresis nonlinearity on the precision of precise positioning， the classical Preisach model is used to establish the driving model of the amplified output displacement， and the corresponding optimization is conducted on this basis. The average error of the final established precise positioning displacement model is within 4 μm， and this error is significantly reduced compared with the maximum nonlinear error of 40 μm. The experimental results reveal that the displacement-driven model established by the Preisach model further improves the positioning accuracy and meets the error design requirements of precision positioning and also allows for a larger design space for later coarse positioning.

关键词

Keywords

references

XING X Z ， ZHAI C ， DU H S ， et al . Parallel controllable optical fiber positioning system for LAMOST ［C］. Advanced Technology Optical/IR Telescopes VI ， Kona， HI， USA . 1998 ， 3352 ： 839 - 849 . doi: 10.1117/12.319309 http://dx.doi.org/10.1117/12.319309

STEPP L M ， GILMOZZI R ， HALL H J ， et al . Spectroscopic survey of LAMOST ［C］. Spie Astronomical Telescopes+Instrumentation ， 2014 ： 914517 . doi: 10.1117/12.2055695 http://dx.doi.org/10.1117/12.2055695

KRONIG L ， HÖRLER P ， CASEIRO S ， et al . Optical test procedure for characterization and calibration of robotic fiber positioners for multiobject spectrographs ［J］. Journal of Astronomical Telescopes， Instruments， and Systems ， 2020 ， 6 （ 1 ）： 018001 . doi: 10.1117/1.jatis.6.1.018001 http://dx.doi.org/10.1117/1.jatis.6.1.018001

SILBER J H ， SCHENK C ， ANDERSSEN E ， et al . Design and performance of an R-theta fiber positioner for the BigBOSS instrument ［C］. Modern Technologies in Space- and Ground-Based Telescopes and Instrumentation II ， Amsterdam， Netherlands . 2012 ， 8450 ： 1064 - 1076 . doi: 10.1117/12.926457 http://dx.doi.org/10.1117/12.926457

SAVIAUK A ， DIONIES F ， DE JONG R ， et al . The fiber positioner for 4MOST： exploration of an alternative R - θ design ［C］. Advances in Optical and Mechanical Technologies for Telescopes and Instrumentation ， Montréal， Quebec， Canada . 2014 ， 9151 ： 1691 - 1702 . doi: 10.1117/12.2056289 http://dx.doi.org/10.1117/12.2056289

李致富，黄楠，钟云，等 . 压电驱动器迟滞非线性的分数阶建模及实验验证［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 5 ）： 1124 - 1131 .

LI Z F ， HUANG N ， ZHONG Y ， et al . Fractional order modeling and experimental verification of hysteresis nonlinearities in piezoelectric actuators ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 5 ）： 1124 - 1131 . （in Chinese）

黄卫清，杨成龙，沈兆琛，等 . 低压驱动Ⅴ形直线超声电机的设计［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 1 ）： 91 - 99 . doi: 10.37188/ope.20212901.0091 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20212901.0091

HUANG W Q ， YANG C L ， SHEN Z C ， et al . Design of Ⅴ-shaped linear ultrasonic motor driven with low-voltage ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 1 ）： 91 - 99 . （in Chinese） . doi: 10.37188/ope.20212901.0091 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20212901.0091

庄健，王志武，廖晓波 . 应用于高速离子电导扫描成像的双压电定位平台［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 10 ）： 2203 - 2214 . doi: 10.37188/OPE.20202810.2203 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202810.2203

ZHUANG J ， WANG Z W ， LIAO X B . Dual-stage piezo nanopositioner for high-speed ion conductance microscopy imaging ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 10 ）： 2203 - 2214 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20202810.2203 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202810.2203

陈为林，卢清华，乔健，等 . 柔顺桥式位移放大机构的非线性建模与优化［J］. 光学精密工程， 2019 ， 27 （ 4 ）： 849 - 859 . doi: 10.3788/ope.20192704.0849 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192704.0849

CHEN W L ， LU Q H ， QIAO J ， et al . Nonlinearity modeling and optimization of compliant bridge-type displacement amplification mechanism ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 4 ）： 849 - 859 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20192704.0849 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192704.0849

于志远，姚晓先，宋晓东 . 基于柔性铰链的微位移放大机构设计［J］. 仪器仪表学报， 2009 ， 30 （ 9 ）： 1818 - 1822 . doi: 10.3321/j.issn:0254-3087.2009.09.006 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:0254-3087.2009.09.006

YU Z Y ， YAO X X ， SONG X D . Design of micro-displacement amplifier based on flexure hinges ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2009 ， 30 （ 9 ）： 1818 - 1822 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:0254-3087.2009.09.006 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:0254-3087.2009.09.006

念龙生，隆志力，王哲琳，等 . 一种改进Preisach模型数值实现方法［J］. 压电与声光， 2014 ， 36 （ 2 ）： 255 - 259 . doi: 10.3969/j.issn.1004-2474.2014.02.026 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1004-2474.2014.02.026

NIAN L S ， LONG Z L ， WANG Z L ， et al . An improved numerical implementation of preisach model ［J］. Piezoelectrics ＆ Acoustooptics ， 2014 ， 36 （ 2 ）： 255 - 259 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1004-2474.2014.02.026 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1004-2474.2014.02.026

CHEN Y C ， SHEN X ， LI J F ， et al . Nonlinear hysteresis identification and compensation based on the discrete Preisach model of an aircraft morphing wing device manipulated by an SMA actuator ［J］. Chinese Journal of Aeronautics ， 2019 ， 32 （ 4 ）： 1040 - 1050 . doi: 10.1016/j.cja.2018.09.006 http://dx.doi.org/10.1016/j.cja.2018.09.006

李黎，刘向东，王伟，等 . 压电陶瓷执行器迟滞特性的广义非线性Preisach模型及其数值实现［J］. 光学精密工程， 2007 ， 15 （ 5 ）： 706 - 712 . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2007.05.014 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2007.05.014

LI L ， LIU X D ， WANG W ， et al . Generalized nonlinear Preisach model for hysteresis nonlinearity of piezoceramic actuator and its numerical implementation ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2007 ， 15 （ 5 ）： 706 - 712 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2007.05.014 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2007.05.014

郑文轩，唐志峰，杨昌群，等 . 基于Preisach模型的磁致伸缩位移传感器迟滞补偿方法［J］. 仪器仪表学报， 2021 ， 42 （ 5 ）： 79 - 89 .

ZHENG W X ， TANG Z F ， YANG C Q ， et al . A hysteresis compensation method of magnetostrictive displacement sensor based on the Preisach model ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2021 ， 42 （ 5 ）： 79 - 89 . （in Chinese）

彭国祥 . 压电驱动器输出力迟滞效应的建模与控制方法研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2021 .

PENG G X . Modeling and Control Method of Output Force Hysteresis Effect of Piezoelectric Actuator ［D］. Harbin ： Harbin Institute of Technology ， 2021 . （in Chinese）

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