宏觀尺度的納米級(jí)定位控制技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著工業(yè)領(lǐng)域如微型機(jī)械制造、超精密測(cè)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(duì)接和機(jī)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(duì)定位行程和定位精度的要求越來(lái)越高，因此宏觀尺度的納米級(jí)定位技術(shù)一直是精密工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。同時(shí)，隨著各項(xiàng)大型天文物理項(xiàng)目的不斷開(kāi)展，對(duì)大口徑高精度的衍射光柵提出了越來(lái)越高的要求。
　　 因此本論文以衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)的分度定位系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用對(duì)象，對(duì)其中的核心技術(shù)——宏觀尺度

2、的納米級(jí)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(bǔ)償控制策略及宏/微兩級(jí)定位方式等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)的工作方式、系統(tǒng)構(gòu)成和各種宏觀尺度納米級(jí)定位系統(tǒng)構(gòu)成方案的對(duì)比分析，確定了以直流無(wú)刷力矩電機(jī)加蝸桿蝸輪、絲桿螺母機(jī)構(gòu)作為宏動(dòng)臺(tái)、壓電陶瓷加彈簧鋼片作為微動(dòng)臺(tái)、雙頻激光干涉儀作為位置測(cè)量系統(tǒng)全閉環(huán)的宏/微兩級(jí)驅(qū)動(dòng)方式的宏觀尺度納米級(jí)分度定位系統(tǒng)。在PC機(jī)上通過(guò)VC對(duì)刻劃?rùn)C(jī)的分度定位系統(tǒng)和刻劃系統(tǒng)進(jìn)行了

3、集成。實(shí)現(xiàn)了對(duì)中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所2號(hào)衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)的控制。在實(shí)際光柵刻劃的過(guò)程中，其分度定位系統(tǒng)實(shí)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(jí)驅(qū)動(dòng)定位系統(tǒng)的系統(tǒng)建模研究中，分析對(duì)比了常用的“白箱建模”、“黑箱建模”和“灰箱建?！比N建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并確定采用“灰箱建?！狈椒▽?duì)定位系統(tǒng)進(jìn)行建模。通過(guò)機(jī)理建模，根據(jù)宏、微工作臺(tái)的鏈接方式建立了不同驅(qū)動(dòng)方式（宏驅(qū)動(dòng)單輸入-雙輸出、微驅(qū)動(dòng)單輸入-雙輸

4、出和宏/微驅(qū)動(dòng)雙輸入-雙輸出）的整體動(dòng)態(tài)模型，并通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)中的未知參數(shù)進(jìn)行了估計(jì)，獲得了與實(shí)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(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，并提出了系統(tǒng)改進(jìn)方向。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)PID控制原理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，闡明了其不適于宏觀尺度納米級(jí)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(jí)定位系統(tǒng)控制方法的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)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“灰箱建模”得到的系統(tǒng)模型進(jìn)行的控制仿真，對(duì)這兩種PID控制算法的控制性能進(jìn)行了對(duì)比分析。
　　 最后，根據(jù)本論文所研究的衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及其分度系統(tǒng)的定位精度要求，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)定位系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)和傳感器件進(jìn)行了選擇；在此基礎(chǔ)上，采用虛擬硬件在環(huán)的方法對(duì)光柵刻劃?rùn)C(jī)的計(jì)算機(jī)控制軟件進(jìn)行了仿真開(kāi)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(shí)現(xiàn)了刻劃?rùn)C(jī)的定

6、位控制流程和刻劃流程。通過(guò)對(duì)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(jìn)定位實(shí)驗(yàn)，對(duì)上述兩種控制算法的研究和仿真進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)控制算法的快速性、定位精度等進(jìn)行了對(duì)比分析得出：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)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(shí)現(xiàn)了間歇式定位和宏動(dòng)臺(tái)連續(xù)-微動(dòng)臺(tái)間歇兩種定位方式的光柵刻劃?rùn)C(jī)的刻劃控制，并進(jìn)行了實(shí)際刻劃實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)