大行程納米定位系統(tǒng)若干關鍵技術研究.pdf

1、隨著IC制造工藝、超精密加工、精密儀器及生物醫(yī)學工程等眾多領域的不斷發(fā)展，與之相關的設備對定位行程、定位精度的要求越來越高，因此大行程納米定位技術在現(xiàn)代科學技術中起到十分關鍵的作用，近年來一直是精密工程領域的研究熱點之一。本文對此開展的研究工作是：研制一套宏微(雙)驅動方式的大行程納米定位及其標定的實驗研究系統(tǒng)，并對定位技術中的誤差建模、全工作行程上定位系統(tǒng)內部的振動測試分析、宏微定位系統(tǒng)的動態(tài)建模及特性分析等幾個關鍵問題進行研究。

2、 通過對各種大行程納米定位系統(tǒng)構成方案的深入分析，確定了由交流伺服電機加滾珠絲杠螺母機構為宏動臺、壓電陶瓷加柔性鉸鏈機構為微動臺、納米光柵測量裝置為系統(tǒng)位置全閉環(huán)的宏微雙驅動方式大行程納米定位系統(tǒng)；以PC機為上位機，用VB6.0對宏、微定位系統(tǒng)進行了集成以實現(xiàn)宏微定位，定位誤差測量及工作臺精度評定通過單頻激光干涉儀標定系統(tǒng)來實現(xiàn)。定位系統(tǒng)實現(xiàn)了100mm行程、10nm定位分辨率、20mm/s運動速度的工作指標。 在定位誤差的

3、建模研究中，對定位系統(tǒng)中各種誤差的來源、特點進行了詳細的分析，以誤差是否具有時變性為依據(jù)、并根據(jù)實際應用中誤差補償?shù)膶崿F(xiàn)方法來研究定位誤差的建模問題，建立了插值、多項式、RBF神經網(wǎng)絡和灰色系統(tǒng)GM(1，1)等多種靜、動態(tài)誤差模型，并對它們進行了理論分析和仿真研究。在靜態(tài)誤差模型研究中，通過比較得到了改善過擬合RBF神經網(wǎng)絡模型這一比較理想的靜態(tài)誤差模型；在對RBF神經網(wǎng)絡建模時數(shù)據(jù)中的噪聲處理方面，采用對徑向基函數(shù)分布寬度和訓練目標進

4、行二維優(yōu)化方法來改善神經網(wǎng)絡的過擬合問題，取得了顯著的效果。用GM(1，1)建立的灰色動態(tài)模型，能將定位系統(tǒng)中的系統(tǒng)誤差和隨機誤差統(tǒng)一考慮，用能量變化方法分析誤差的動態(tài)特性，所需的建模數(shù)據(jù)少、計算量小、補償速度快，是補償動態(tài)定位誤差的有效方法。在改善灰色預測模型精度方面，采用了改善背景值的GM(1，1)模型，仿真和實驗研究證明它比普通的GM(1，1)模型具有更高的模型精度。 對定位精度產生影響的振動問題包括外部的環(huán)境振動和定位系

5、統(tǒng)內部的振動。本論文從宏定位系統(tǒng)內部入手，通過構建以LabVIEW軟件為核心的虛擬儀器測試系統(tǒng)，用傅立葉變換和小波變換聯(lián)合分析、對比的方法，研究了在伺服狀態(tài)下宏動臺全行程上定點和運動狀態(tài)的振動特征。盡管兩種方法得出了一致的結論，但小波變換方法可分析工作臺各工作位置上的動態(tài)特性，分析結果更加具體、準確，其有效性通過PID控制參數(shù)調整實驗得到了驗證。 在宏微定位系統(tǒng)的動態(tài)特性研究中，根據(jù)宏、微工作臺的串聯(lián)形式建立其整體動態(tài)模型，分析

6、了宏、微工作臺之間的動態(tài)耦合關系，討論了宏微工作臺在不同的驅動形式(宏驅動、微驅動和宏微驅動)的階躍響應。研究結果表明，由于作用位置的不同，宏、微驅動對宏微定位系統(tǒng)動態(tài)響應的影響是相反的，應用中要根據(jù)實際需要確定宏、微工作臺的動態(tài)特性參數(shù)。根據(jù)所建立的動態(tài)模型，用宏、微工作臺兩種不同動態(tài)特性參數(shù)的配置，分別對白噪聲干擾和正弦干擾下的動態(tài)補償定位、低頻和高頻正弦輸入信號的連續(xù)補償定位進行了仿真研究，驗證了所建動態(tài)模型的正確性和宏微定位實現(xiàn)