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纳米三坐标测量机测控系统关键技术研究

程方  
【摘要】: 近年来纳米三维测量技术引起了广泛关注。由新型加工技术如MEMS,LIGA制备的微型工件往往具有介观尺度的大小,而具有纳米级的精度要求。传统的三坐标测量机(CMM)不具备如此高精度的测量能力;一些新型的测头,如SPM,只具有单轴测量能力。在此背景下,纳米三坐标测量机(nano-CMM)的概念应运而生。 本文基于一种低成本的纳米三坐标测量机,提出一系列与控制有关的关键技术,包括高精度位移传感器的研发使用、信号在线修正和细分技术、自适应运动控制技术、非接触和接触式测头的标定和控制技术、多轴同动控制技术研究以及系统软件开发构想。 本研究开发并改进了一种新型的高精度位移传感器线性衍射光栅干涉仪(LDGI,Linear Diffraction Grating Interferometer),以多普勒相移为原理,利用全息光栅产生衍射,通过一系列分光、转折和偏振,使±1级衍射光发生干涉,通过解相位可以获得位移信息。通过对信号进行实时修正和细分,LDGI可获得小于1nm的分辨率。通过和激光干涉仪的比对实验,该系统在15毫米测量范围内,重复性在10nm以内。 为了兼顾测量效率和驱动分辨率,同时考虑简化结构要求,本研究采用一种基于压电陶瓷元件的超声波马达HR4(Nanomotion Co.)作为驱动器,通过整合其不同速度的三种驱动模式,实现多级驱动。为确保系统的稳定性,本文提出一种基于BP神经网络的PID速度控制策略。该控制策略以LDGI作为反馈,不仅可以获得稳定的驱动速度,还可以长时间锁定位置,以补偿机械元件的变形和压电陶瓷元件的蠕变效应。实验发现,该控制策略可获得1纳米的定位稳定性。 测头的标定和控制是本文涉及的另一项关键技术。使用HR4和LDGI,可对非接触测头进行标定,并可以对工件表面形貌进行扫描。对于接触式纳米测头,由于灵敏度极高,且响应范围很窄,本文提出了一种二次触发的控制,即高速逼近,中速一次触发和低速二次触发的整合。结合一个高灵敏度的开关电路,该控制策略可对测头的触发重复性、预行程等关键参数进行标定,也可以用于实际触发控制。实验证明,该策略可以获得10nm以内的定位重复性。 基于以上关键技术,多轴同动的控制技术被开发。此外,纳米三坐标测量机系统软件构架也在本文中提出。 综上所述,本文的主要工作及创新点包括: 1、高容许度和稳定性的光栅干涉测量技术。 2、基于超声波马达和光栅干涉技术的纳米定位控制技术。 3、用于纳米测量的光栅信号实时处理技术。 4、纳米三坐标测量机测头的标定控制和触发控制技术。 5、纳米级精度的两轴同动控制技术。


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