宏觀尺度的納米級定位控制技術(shù)研究.pdf

1、近年來，隨著工業(yè)領(lǐng)域如微型機械制造、超精密測量、超精密加工、集成電路制造、生物工程、醫(yī)療科學(xué)、光纖對接和機器人系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域的不斷發(fā)展，與之相關(guān)的設(shè)備對定位行程和定位精度的要求越來越高，因此宏觀尺度的納米級定位技術(shù)一直是精密工程領(lǐng)域的研究熱點之一。同時，隨著各項大型天文物理項目的不斷開展，對大口徑高精度的衍射光柵提出了越來越高的要求。
　　 因此本論文以衍射光柵刻劃機的分度定位系統(tǒng)作為實驗和應(yīng)用對象，對其中的核心技術(shù)——宏觀尺度

2、的納米級定位控制技術(shù)中的系統(tǒng)構(gòu)建、定位系統(tǒng)建模及特性分析、定位誤差補償控制策略及宏/微兩級定位方式等關(guān)鍵問題進行了研究。通過對衍射光柵刻劃機的工作方式、系統(tǒng)構(gòu)成和各種宏觀尺度納米級定位系統(tǒng)構(gòu)成方案的對比分析，確定了以直流無刷力矩電機加蝸桿蝸輪、絲桿螺母機構(gòu)作為宏動臺、壓電陶瓷加彈簧鋼片作為微動臺、雙頻激光干涉儀作為位置測量系統(tǒng)全閉環(huán)的宏/微兩級驅(qū)動方式的宏觀尺度納米級分度定位系統(tǒng)。在PC機上通過VC對刻劃機的分度定位系統(tǒng)和刻劃系統(tǒng)進行了

3、集成。實現(xiàn)了對中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所2號衍射光柵刻劃機的控制。在實際光柵刻劃的過程中，其分度定位系統(tǒng)實現(xiàn)了在300行程內(nèi)，平均穩(wěn)態(tài)3定位誤差小于7的定位精度。在宏/微兩級驅(qū)動定位系統(tǒng)的系統(tǒng)建模研究中，分析對比了常用的“白箱建模”、“黑箱建?！焙汀盎蚁浣！比N建模方法的優(yōu)缺點，并確定采用“灰箱建模”方法對定位系統(tǒng)進行建模。通過機理建模，根據(jù)宏、微工作臺的鏈接方式建立了不同驅(qū)動方式（宏驅(qū)動單輸入-雙輸出、微驅(qū)動單輸入-雙輸

4、出和宏/微驅(qū)動雙輸入-雙輸出）的整體動態(tài)模型，并通過系統(tǒng)辨識實驗，對系統(tǒng)中的未知參數(shù)進行了估計，獲得了與實際系統(tǒng)較接近的系統(tǒng)模型，根據(jù)灰箱建模得到的系統(tǒng)模型對系統(tǒng)的動態(tài)特性進行了分析，并提出了系統(tǒng)改進方向。通過對傳統(tǒng)PID控制原理及實驗結(jié)果的分析，闡明了其不適于宏觀尺度納米級定位系統(tǒng)控制的原因，在闡述了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本原理的基礎(chǔ)上，闡明了使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制作為宏觀尺度的納米級定位系統(tǒng)控制方法的優(yōu)點，通過對單神經(jīng)元PID控制和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

5、PID控制兩種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法的原理分析及在“灰箱建?！钡玫降南到y(tǒng)模型進行的控制仿真，對這兩種PID控制算法的控制性能進行了對比分析。
　　 最后，根據(jù)本論文所研究的衍射光柵刻劃機的機械結(jié)構(gòu)及其分度系統(tǒng)的定位精度要求，搭建了實驗平臺，對定位系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵的驅(qū)動和傳感器件進行了選擇；在此基礎(chǔ)上，采用虛擬硬件在環(huán)的方法對光柵刻劃機的計算機控制軟件進行了仿真開發(fā)，利用“灰箱建?！钡玫降目刂葡到y(tǒng)模型在完全虛擬的環(huán)境下編程實現(xiàn)了刻劃機的定

6、位控制流程和刻劃流程。通過對單神經(jīng)元PID和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID兩種算法的階躍和步進定位實驗，對上述兩種控制算法的研究和仿真進行了驗證，并對控制算法的快速性、定位精度等進行了對比分析得出：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習收斂速度更快，能夠更快速地適應(yīng)系統(tǒng)的變化，具有較好的快速性，能夠獲得更高的定位精度，但是系統(tǒng)超調(diào)較大。然后，根據(jù)衍射光柵刻劃原理實現(xiàn)了間歇式定位和宏動臺連續(xù)-微動臺間歇兩種定位方式的光柵刻劃機的刻劃控制，并進行了實際刻劃實驗，通過對實驗結(jié)