大行程納米定位系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著IC制造工藝、超精密加工、精密儀器及生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域的不斷發(fā)展，與之相關(guān)的設(shè)備對(duì)定位行程、定位精度的要求越來(lái)越高，因此大行程納米定位技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中起到十分關(guān)鍵的作用，近年來(lái)一直是精密工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文對(duì)此開(kāi)展的研究工作是：研制一套宏微(雙)驅(qū)動(dòng)方式的大行程納米定位及其標(biāo)定的實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)，并對(duì)定位技術(shù)中的誤差建模、全工作行程上定位系統(tǒng)內(nèi)部的振動(dòng)測(cè)試分析、宏微定位系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模及特性分析等幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究。

2、 通過(guò)對(duì)各種大行程納米定位系統(tǒng)構(gòu)成方案的深入分析，確定了由交流伺服電機(jī)加滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)為宏動(dòng)臺(tái)、壓電陶瓷加柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)為微動(dòng)臺(tái)、納米光柵測(cè)量裝置為系統(tǒng)位置全閉環(huán)的宏微雙驅(qū)動(dòng)方式大行程納米定位系統(tǒng)；以PC機(jī)為上位機(jī)，用VB6.0對(duì)宏、微定位系統(tǒng)進(jìn)行了集成以實(shí)現(xiàn)宏微定位，定位誤差測(cè)量及工作臺(tái)精度評(píng)定通過(guò)單頻激光干涉儀標(biāo)定系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了100mm行程、10nm定位分辨率、20mm/s運(yùn)動(dòng)速度的工作指標(biāo)。 在定位誤差的

3、建模研究中，對(duì)定位系統(tǒng)中各種誤差的來(lái)源、特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，以誤差是否具有時(shí)變性為依據(jù)、并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)方法來(lái)研究定位誤差的建模問(wèn)題，建立了插值、多項(xiàng)式、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和灰色系統(tǒng)GM(1，1)等多種靜、動(dòng)態(tài)誤差模型，并對(duì)它們進(jìn)行了理論分析和仿真研究。在靜態(tài)誤差模型研究中，通過(guò)比較得到了改善過(guò)擬合RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型這一比較理想的靜態(tài)誤差模型；在對(duì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模時(shí)數(shù)據(jù)中的噪聲處理方面，采用對(duì)徑向基函數(shù)分布寬度和訓(xùn)練目標(biāo)進(jìn)

4、行二維優(yōu)化方法來(lái)改善神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)擬合問(wèn)題，取得了顯著的效果。用GM(1，1)建立的灰色動(dòng)態(tài)模型，能將定位系統(tǒng)中的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差統(tǒng)一考慮，用能量變化方法分析誤差的動(dòng)態(tài)特性，所需的建模數(shù)據(jù)少、計(jì)算量小、補(bǔ)償速度快，是補(bǔ)償動(dòng)態(tài)定位誤差的有效方法。在改善灰色預(yù)測(cè)模型精度方面，采用了改善背景值的GM(1，1)模型，仿真和實(shí)驗(yàn)研究證明它比普通的GM(1，1)模型具有更高的模型精度。 對(duì)定位精度產(chǎn)生影響的振動(dòng)問(wèn)題包括外部的環(huán)境振動(dòng)和定位系

5、統(tǒng)內(nèi)部的振動(dòng)。本論文從宏定位系統(tǒng)內(nèi)部入手，通過(guò)構(gòu)建以LabVIEW軟件為核心的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)，用傅立葉變換和小波變換聯(lián)合分析、對(duì)比的方法，研究了在伺服狀態(tài)下宏動(dòng)臺(tái)全行程上定點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的振動(dòng)特征。盡管兩種方法得出了一致的結(jié)論，但小波變換方法可分析工作臺(tái)各工作位置上的動(dòng)態(tài)特性，分析結(jié)果更加具體、準(zhǔn)確，其有效性通過(guò)PID控制參數(shù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證。 在宏微定位系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性研究中，根據(jù)宏、微工作臺(tái)的串聯(lián)形式建立其整體動(dòng)態(tài)模型，分析

6、了宏、微工作臺(tái)之間的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系，討論了宏微工作臺(tái)在不同的驅(qū)動(dòng)形式(宏驅(qū)動(dòng)、微驅(qū)動(dòng)和宏微驅(qū)動(dòng))的階躍響應(yīng)。研究結(jié)果表明，由于作用位置的不同，宏、微驅(qū)動(dòng)對(duì)宏微定位系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響是相反的，應(yīng)用中要根據(jù)實(shí)際需要確定宏、微工作臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。根據(jù)所建立的動(dòng)態(tài)模型，用宏、微工作臺(tái)兩種不同動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的配置，分別對(duì)白噪聲干擾和正弦干擾下的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償定位、低頻和高頻正弦輸入信號(hào)的連續(xù)補(bǔ)償定位進(jìn)行了仿真研究，驗(yàn)證了所建動(dòng)態(tài)模型的正確性和宏微定位實(shí)現(xiàn)