超精密角位移测量与智能控制技术的研究

摘要

精密角度定位技术是整合了机械、电子、光学及智能控制于一体的复合控制技术，广泛应用于精密角位移测量与控制场合，如集成电路中硅片平面度的检测、精密导轨的直线度检测等。本文主要研究利用激光莫尔信号实现精密角位移测量与控制的方法及关键技术，主要包含了以下几个方面:
　　研究了两级光栅衍射所产生的莫尔信号的角位移特性，建立了莫尔信号光强与角位移测量的数学模型。通过计算机仿真对建立的数学模型进行了研究。仿真结果表明，两级光栅衍射后的莫尔信号强度会随着光栅间距变化呈周期性变化，当光栅间距为p2/λ的整数倍时，莫尔信号幅度变化最大，同时莫尔信号强度也随两片光栅的相对角位移呈周期性变化。
　　在建立了莫尔信号角位移测量模型的基础上，设计了宏微复合式驱动定位系统。宏位移机构以步进电机为核心，以精密丝杠为传动机构，根据光栅检测到的位移信号及工控机发出的脉冲指令，完成精度为±5μrad的初始定位;微位移机构以压电陶瓷为核心，以柔性铰链为传动机构，根据角位移检测信号的大小，发出相应驱动电压，驱动压电致动器发生形变，从而带动传动机构完成微小角度的调整，最终实现高精度、大行程的精密角位移测量和控制，角位移精度可达±100nrad。
　　在精密角度定位过程中，由于压电陶瓷存在着非线性缺陷，为了提高精密角度定位的精度和稳定性，本文对压电陶瓷的输入输出特性进行了实验分析，并应用神经网络技术模拟压电陶瓷的输入输出，减小压电陶瓷非线性对精密角位移测量与控制的影响，有效的提高了角位移测量的精度和速度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 角位移测量的研究现状

1．2．1 角位移测量技术

1．2．2 角位移驱动控制技术

1．3 本课题研究内容

第2章 精密角位移测量建模及仿真

2．1 光栅衍射原理概述

2．1．1 单光栅衍射现象

2．1．2 双光栅衍射现象

2．2 透射式光栅衍射系统测量原理

2．2．1 光栅透射特性分析

2．2．2 透射式光栅的衍射现象分析

2．2．3 光栅间隙的选择

2．3 透射式双光栅衍射数学模型的仿真

2．3．1 数值积分算法

2．3．2 透射光栅仿真结果

2．4 角位移测量分析及建模

2．4．1 光栅旋转时莫尔信号的变化规律

2．4．2 莫尔信号周期角

2．4．3 角位移测量仿真

2．5 光栅测量精度影响因素

2．5．1 光栅平行度的影响

2．5．2 光栅常数的影响

第3章 精密角度定位硬件系统构成

3．1 系统总体结构组成

3．2 光路系统及工控机的选择

3．2．1 光路系统选择

3．2．2 工控机和数据采集卡的选择

3．3 宏位移机构组成

3．4 微位移机构组成

3．4．1 压电陶瓷

3．4．2 柔性铰链

3．5 宏微复合式定位算法设计

3．5．1 算法设计

3．5．2 软件设计

3．6 角度定位的实验结果

第4章 精密角度定位的智能控制技术

4．1 压电陶瓷特性

4．1．1 迟滞特性

4．1．2 蠕变性

4．1．3 温度特性

4．2 压电陶瓷智能控制

4．2．1 BP神经网络

4．2．2 神经网络PID控制实现

4．2．3 神经网络建模及训练

4．2．4 压电陶瓷智能控制器设计

4．3 实验结果分析

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢