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刚柔分级并联驱动宏微复合运动平台设计

中国科学：技术科学 2019年第6期49卷 669-680页

作者：白有盾陈新杨志军广东工业大学精密电子制造技术与装备国家重点实验室广东省微纳加工技术与装备重点实验室

高速精密定位是电子制造的要求,轴系摩擦是影响精密定位的重要因素.目前,微米级以上精度必须通过消除摩擦影响的方式来实现,成本很高.本文将大行程的直线电机平台与无摩擦的柔性铰链导向机构结合,提出了一种并联驱动的宏微复合设计新方... 详细信息

高速精密定位是电子制造的要求,轴系摩擦是影响精密定位的重要因素.目前,微米级以上精度必须通过消除摩擦影响的方式来实现,成本很高.本文将大行程的直线电机平台与无摩擦的柔性铰链导向机构结合,提出了一种并联驱动的宏微复合设计新方案,克服了现有宏微复合平台存在的输出饱和问题.具体做法是在无铁芯永磁直线电机模组中,安装两套驱动和测量反馈系统,分别用于驱动宏运动平台和与之通过柔性铰链相连的微运动平台.宏运动平台通过直线导轨滑块'刚性'机械连接系统实现大行程高速运动,微运动平台通过基于柔性铰链的'柔性'连接来快速补偿'刚性'宏运动平台的误差,最终实现大行程高速高精度运动.本文利用上述刚柔分级运动方案,通过基于动力学响应的运动规划方法进一步抑制了高加速运动平台的定位残余振动.基于柔性铰链的微运动系统较之宏运动系统具有更快的响应速度和更小的跟踪轨迹误差,从而实现在高加速运动过程中宏/微驱动力叠加来实现快速运动,同时在匀速与低速定位过程中微驱动器产生反方向作用力来快速补偿宏运动平台的运动误差来实现高定位精度.实验表明,本文提出的宏微复合驱动方案,通过机构的创新,可有效降低控制的复杂度,并实现了高精密快速定位,可以为微光电子制造装备亚微米级高速定位平台设计提供崭新的途径.

关键词：刚柔分级并联驱动宏微复合精密定位

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精密宏微复合绝对式光栅尺设计与研究

应用光学 2015年第2期36卷 287-293页

作者：范朝龙王晗刘强陈新度郑俊威梁烽广东工业大学广东省微纳加工技术与装备重点实验室广东广州510006

通过对光栅尺原理的研究,设计一种宏微复合切换测量模式,利用增量码进行低精度测量,绝对码进行高精度测量。采用增量方式采集莫尔条纹的高速性,解决高精度绝对位置采集的低速性,实现宏微复合的高速与高精度的测量。实验证明,高精度低速... 详细信息

通过对光栅尺原理的研究,设计一种宏微复合切换测量模式,利用增量码进行低精度测量,绝对码进行高精度测量。采用增量方式采集莫尔条纹的高速性,解决高精度绝对位置采集的低速性,实现宏微复合的高速与高精度的测量。实验证明,高精度低速绝对位置测量过程中测量精度可达0.6μm,在测量中使用新型高速与低速的变速切换测量方式,综合测量速度最高可以达到2m/s。

关键词：绝对光栅尺宏微复合速度切换精密

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宏微复合平台切换定位的耦合效应与解耦控制

组合机床与自动化加工技术 2020年第10期 85-89页

作者：谭令威高健广东工业大学省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室广州510006

为了实现宏微复合平台的精密定位,防止压电陶瓷行程饱和,对宏微平台之间的耦合影响进行了研究,分析了宏微平台耦合效应的产生机理,提出基于干扰观测器的前馈补偿解耦复合PID控制方法,保证微平台对宏平台误差的精密补偿。通过对直线电机... 详细信息

为了实现宏微复合平台的精密定位,防止压电陶瓷行程饱和,对宏微平台之间的耦合影响进行了研究,分析了宏微平台耦合效应的产生机理,提出基于干扰观测器的前馈补偿解耦复合PID控制方法,保证微平台对宏平台误差的精密补偿。通过对直线电机系统和宏微平台之间的耦合传递函数进行模型辨识,设计了干扰观测器(DOB)和前馈补偿解耦控制器,并结合PID控制组合成为复合控制,在宏微复合平台上开展实验研究。实验结果表明:复合控制下的宏动台耦合位移的绝对值平均减小79.46%,压电陶瓷进行微定位时的行程平均减小38.83%,微定位时间至少减小43.37%。从而验证了该文所提方法的有效性。

关键词：宏微复合模型辨识干扰观测器前馈补偿解耦

精密宏微复合绝对光栅位移传感器采集系统设计与研究

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精密宏微复合绝对光栅位移传感器采集系统设计与研究

作者：范朝龙广东工业大学

学位级别：硕士

在精密位移或者角度测量中,光栅尺作为其重要的工具,目前在数控机床、光电经纬仪、雷达中广泛地使用。其中绝对式光栅尺是精密位移测量的核心器件之一,也是我国科技研发的重点领域。决定绝对式光栅尺位移测量精度的因素较多,其中主要取... 详细信息

在精密位移或者角度测量中,光栅尺作为其重要的工具,目前在数控机床、光电经纬仪、雷达中广泛地使用。其中绝对式光栅尺是精密位移测量的核心器件之一,也是我国科技研发的重点领域。决定绝对式光栅尺位移测量精度的因素较多,其中主要取决于它关键部件的性能。位置信息采集系统的性能直接决定绝对光栅位移传感器位移的解码精度及其测量精度。宏微复合的光栅位移采集系统能够很好地解决传统光栅尺的最大允许测量速度与其测量分辨率成反比及其归零复位操作的问题。为了保证宏微复合的光栅位移采集系统能够高速、高效率、高实时性、高可靠性的设计要求,本文结合了增量采码的高速性与CMOS图像传感器采集绝对码的高清晰度与高可靠性的优点。通过利用增量方式采集莫尔条纹的高速性,解决高精度绝对位置编码采集的低速性,实现宏微复合的高速采码。本文以精密宏微复合绝对光栅位移传感器编码采集系统为对象,主要开展以下这几方面的研究工作：本文在研究FPGA驱动方法、CMOS图像传感器高速采集技术和光栅尺位置信息采集系统工作原理的基础上,根据绝对位移编码图像采集及其编码解码的实际需要,完成了绝对编码图像的采集功能的硬件电路设计与软件的实现,同时通过仿真实验验证了硬件电路的逻辑功能,可以实现正确的采码。根据绝对光栅位移传感器解码的实时性测量需求,结合后端DSP解码时间,CMOS图像传感器开窗扫描(提高其扫描速度),图像的灰度化等处理实现了CMOS图像传感器采码与DSP解码的速度匹配。针对绝对光栅位置信息采集速度性能研究,通过差动去直流分量与正余弦信号方波处理电路将模拟信号转化为FPGA需要的数字信号,结合在FPGA内设置了速度判断切换模块,来实现增量位置信息采集在高速环境下工作,合理切换到绝对码道的低速采集,从而来实现宏微复合绝对光栅位移传感器编码采集系统的较高速位置信息采集。基于上述设计好的采集系统,同时还进一步进行了实验的验证与分析,绝对编码采集的实时性能够满足后端DSP的解码需求,同时在测量中使用这种新型高速与低速的变速切换采集模式,综合测量速度最高可以达到2m/s。采集到的编码图像质量应用于绝对光栅尺测量系统后端DSP解码测量的精度能够接近±0.6μm。这为绝对式光栅尺高速高精度测量的开发提供了一条新的路径。

关键词：图像采集系统精密绝对光栅尺宏微复合速度切换

基于线阵CMOS的光栅宏微复合位移测量系统设计

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基于线阵CMOS的光栅宏微复合位移测量系统设计

作者：衡园广东工业大学

学位级别：硕士

随着微电子行业的快速发展,对微电子制造装备的高速高精度的性能要求也越来越高,如何在高速状态下获取更高的测量精度,不仅与微电子行业未来发展息息相关,也对提升我国综合制造能力具有深远的意义。与编码盘、激光干涉仪等精密测量仪器... 详细信息

随着微电子行业的快速发展,对微电子制造装备的高速高精度的性能要求也越来越高,如何在高速状态下获取更高的测量精度,不仅与微电子行业未来发展息息相关,也对提升我国综合制造能力具有深远的意义。与编码盘、激光干涉仪等精密测量仪器相比,光栅测量传感器由于价格低、分辨率高、结构紧凑、精度高等特性,在各个测量行业得到广泛应用。传统的光栅传感器主要依据对莫尔条纹的计数,得到位移测量值。为了提高测量精确度,可对莫尔条纹采用复杂的细分处理,但其容易受外部的噪声干扰而降低精度;或者可以减少光栅的栅纹距离来提升精度,可高密度光栅刻线工艺复杂、制作环境及技术要求高,难以达到要求。首先,本文针对增量光栅位移测量系统中普遍存在速度与精度的固有矛盾,提出利用线阵相机的高行频、高分辨率等特性,设计了一款基于线阵CMOS图像传感器的增量光栅宏微复合位移测量系统,以替代传统莫尔条纹检测方法。其中,高行频特性不仅可以减少高速状态下图像模糊问题,还可以消除运动平台震动带来的影响;为提高测量值的精确度,本文提出纵横转换放大的方式来提升系统分辨率,即将线阵CMOS图像传感器和光栅尺形成一定夹角。其次,在硬件系统方案设计过程中,采用线阵光源、物镜、转接件、光源控制器、线阵相机等硬件组成光学成像系统,随后搭建旋转控制平台,并采用matrox图像采集卡来满足数据的快速传输;为了降低实验设备对系统精确度带来的影响,根据已有的硬件设备的尺寸和结构,设计易于进行三轴微调的机械平台与夹持装置。然后,在软件系统方案设计过程中,使用C++编程语言完成光栅图像采集、宏微复合位移测量算法的代码编写,并采用局部自适应阈值法消除光栅图像光照不均的影响。针对采集到的光栅图像存在大量噪声以及污点划痕的问题,提出光栅重构算法结合形态学方式对其进行处理。根据线阵光栅图像的特征,采用软件方法进行运动方向的判别,随后完成了基于QT的人机交互界面的开发,便于实验过程中的调试及观察。最后,调试好软硬件上的实验参数,并以Renishaw激光干涉仪为标准进行对比实验,对实验结果和误差来源进行了解析。实验结果表明,本文设计的测量系统,在现有的实验条件下,系统能达到的位移测量精度为2μm,最高运动速度为0.9m/s,最高分辨率为0.06μm。本文提出的基于线阵CMOS的光栅宏微复合位移测量方法,为光栅测量领域提供了新的研究借鉴方式。

关键词：光栅 CMOS图像传感器宏微复合高精度 QT

基于虚拟仪器的宏微复合光栅位移测量系统的研究与设计

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基于虚拟仪器的宏微复合光栅位移测量系统的研究与设计

作者：李彦锋广东工业大学

学位级别：硕士

微电子制造装备是制造业的一个重要领域,事关国家利益和国家安全。精密测量及末端定位技术作为微电子制造装备的关键技术,对提升我国的综合制造能力有着重大意义,提高电子制造设备的测量精度和速度,同时实现高分辨率的测量成为了当下的... 详细信息

微电子制造装备是制造业的一个重要领域,事关国家利益和国家安全。精密测量及末端定位技术作为微电子制造装备的关键技术,对提升我国的综合制造能力有着重大意义,提高电子制造设备的测量精度和速度,同时实现高分辨率的测量成为了当下的研究热点。光栅位移传感器因其制造简单、精度高、成本低等优点,被广泛应用于精密测量领域中,传统的光栅测量技术依靠电子电路对莫尔条纹进行细分来提高分辨率和测量精度,易受外部信号的干扰,在设备高速运动时,容易产生丢步现象,从而降低测量精度。国内对光栅测量技术的研究起步较晚,光栅位移传感器大多依赖于进口,因此,研发设计出高性能的光栅位移传感器迫在眉睫。本文立足于课题组当前研究进展,设计了基于虚拟仪器的宏微复合光栅位移测量系统,利用CMOS图像传感器对光栅图像进行采集和处理来代替对莫尔条纹进行细分的方法,文中对提高光栅位移测量精度、分辨率、速度的问题做了探究,为后期开发新型光栅位移传感器奠定基础。首先,对宏微复合光栅位移测量方法的理论做了细致的介绍,其运用软件计数图像处理后的栅纹得到宏测量位移,利用图像传感器像素点来计算栅线间的微位移,为后续研究打下理论基础。其次,结合位移测量系统的精度、稳定性等要求搭建硬件平台。硬件设备包括图像传感器、光学成像系统、光栅尺、PXI计算机、图像采集卡等,并根据所用设备的尺寸及结构设计便于安装和调节的机械平台,以减小硬件设备给测量带来的误差。然后,将提出的宏微复合位移测量方法在LabVIEW软件平台上进行编程,用G语言来完成光栅图像的采集、处理、显示以及位移的计算等操作。为便于在线进行光栅位移测量、观察及调试,设计了符合本系统要求的人机交互界面。最后,把光栅尺固定在Akibis直线电机的运动平台上,利用设计的软、硬件进行光栅位移测量测量实验,以雷尼绍激光干涉仪为标准进行对比,对测量结果及误差来源做了分析。此外,为了验证系统的可靠性及稳定性,将宏微复合光栅位移测量方法的关键部分在MATLAB上进行分析,说明本系统可以有效解决在长期使用及制造过程中造成的光栅不完整等问题,同时也验证了本文所述对光栅图像处理方法适应性强的优点。在本测量系统的实验条件下,位移测量精度±2μm,运动速度1mm/s,最高分辨率为0.275um。本文所提出的方法及研究成果为光栅位移测量的研究提供了一条新的思路。

关键词：光栅宏微复合虚拟仪器 CMOS图像传感器

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宏微垂直运动平台的复合控制与误差补偿研究

宏微垂直运动平台的复合控制与误差补偿研究

作者：谭令威广东工业大学

学位级别：硕士

在微电子制造领域,垂直运动平台具有广泛的应用场景。随着白光干涉扫描等精密技术的发展,对垂直运动平台也提出了大行程高精度的定位要求,而传统的单驱平台难以同时满足大行程和高精度的要求。本文针对宏微垂直运动平台的高精度定位问题... 详细信息

在微电子制造领域,垂直运动平台具有广泛的应用场景。随着白光干涉扫描等精密技术的发展,对垂直运动平台也提出了大行程高精度的定位要求,而传统的单驱平台难以同时满足大行程和高精度的要求。本文针对宏微垂直运动平台的高精度定位问题,开展宏微控制算法、宏微协同控制策略以及误差补偿研究,提出基于边界层超螺旋算法的直线电机宏动台控制,设计宏微复合定位和复合步进策略;同时,对垂直平台的位移转换误差进行位置补偿以及在线补偿;最后,基于Power PMAC控制器搭建实验平台的控制系统,并开展垂直平台的微动性能测试和宏微复合定位实验。论文的主要研究内容如下所述:(1)深入调研精密运动平台的国内外研究现状,对垂直运动平台的需求和关键技术进行分析,明确本文的工作内容与技术方案;(2)建立直线电机宏动系统的动力学模型,并采用正弦变频信号扫频的方法进行模型参数辨识;同时,对微动系统进行动力学分析,建立其机电耦合模型,为宏微各自的精密控制奠定基础;(3)针对直线电机宏动台,设计基于边界层超螺旋算法的二阶滑模控制器,提高系统的抗干扰性能。为了进一步削弱滑模控制的抖振影响,将边界层方法与超螺旋算法相结合,并通过仿真和实验验证所提控制算法的有效性。为压电陶瓷微动台搭建基于PID控制的双闭环控制结构,根据垂直运动平台的需求设计宏微复合定位和宏微复合步进的协同控制策略,实现垂直平台的高精度定位和纳米级位移步进;(4)针对楔体结构的位移转换误差问题,采用位置误差补偿表进行补偿,并提出误差在线补偿的方法。将垂直轴平台的位移反馈加入到水平轴直线电机宏动台的伺服控制环路中,以修正水平轴的指令位移,最后通过实验验证误差补偿方法的有效性;(5)基于Power PMAC搭建宏微垂直运动平台的控制系统,开发并实现所提方法与策略。开展平台的微动性能测试以及宏微复合大行程定位实验,验证宏微垂直平台的性能与本文所提方法的有效性。

关键词：宏微复合垂直运动平台超螺旋算法误差补偿精密定位

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基于FPGA的光栅高精度位移测量系统设计

基于FPGA的光栅高精度位移测量系统设计

作者：张浩权广东工业大学

学位级别：硕士

随着发达国家技术的封锁和打压,我国加快了在高速高精密先进制造装备领域实现国产化的步伐,高速下的高精度定位测量方法和算法上的突破,不仅引导未来精密设备的研发和生产,而且对我国走向自主研发道路具有深远意义。与激光干涉仪、编码... 详细信息

随着发达国家技术的封锁和打压,我国加快了在高速高精密先进制造装备领域实现国产化的步伐,高速下的高精度定位测量方法和算法上的突破,不仅引导未来精密设备的研发和生产,而且对我国走向自主研发道路具有深远意义。与激光干涉仪、编码盘等昂贵的精密测距仪器相比,光栅尺测量传感器在保证较高精度的同时具备了分辨率高、结构紧凑、维护简易和价格低等优势,在各个领域都具有广泛的应用前景。增量式光栅测距系统是对基于物理刻线的莫尔条纹进行计数,通过解码计数值进而获取位移值的一种精密测量仪器。为了提高光栅测距仪的测量精度,可对莫尔条纹进行不同方式的细分处理,或者在加工制造过程中减小栅纹的宽度,但是随着莫尔条纹细分的复杂化,测量过程中就极易受到信号噪声的干扰从而降低精度,而减小栅纹宽度就会使制造工艺和制造环境要求变的极其复杂和严格,难以达到产品高速测量的使用要求,因此,本文针对增量式光栅测距系统中测量精度与运动速度相互制约,相互冲突的问题,开发了基于FPGA的光栅实时高精度位移测量系统,研究内容如下:首先,利用FPGA的并行处理优势,提出通过FPGA解析光栅位移图像信息输出位移值的理念,设计一套基于FPGA的光栅实时高精度位移测量系统,以代替传统的光栅测距方式。其中,本文采用高频、高分辨率的线阵相机采集运动光栅图像,利用线阵相机高行频特性,最大化保留高速运动状态下光栅的图像质量和位移信息;同时为了提高系统测量精度,本文通过设计旋转结构,将线阵相机感光像元和光栅尺栅纹形成一个最优夹角方式提升图像采集分辨率,进而获取更加细分的光栅图像。其次,在实验平台部件选择方案上,采用高频线阵相机、转接件、物镜、线阵光源、光源控制器等硬件组成光学图像采集控制平台,采用matrox图像采集卡和FPGA数据加速板卡来对图像数据进行高速采集和处理,为了减小运动平台高速运动过程中的机械振动对后续系统测量精确度带来的误差,根据运动平台的结构和尺寸,设计相机三维调节支架。然后,在软件算法处理方案上,通过verilog HDL硬件编程语言完成位移算法加速器的设计,算法加速器主要包括光栅图像的采集、图像预处理、运动方向识别算法、自动阈值算法以及宏微复合位移算法等代码的编写,并针对图像数据量巨大存储问题提出了跨BANK的方式进行存储处理;通过C#编程语言完成人机交互界面的开发,便于实时观察和调试实验过程中系统输出的实时位移值和运动方向。最后,设置各硬件参数并搭建实验平台,在相同实验条件下使用激光干涉仪和本系统进行位移测量对比实验,通过对系统处理时间的延迟误差以及位移测量值的误差进行分析归纳。实验结果表明,系统测量的最高运动速度为0.8m/s,最高分辨率0.06μm,系统处理时间最低为148ms,位移精度为±2.5μm。本文在图像处理层面上设计的基于FPGA光栅实时高精度位移测量方法,为光栅测量系统框架设计提供了新的思路和方向。

关键词：光栅 FPGA 宏微复合实时高精度测距系统

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智能观瞄系统建模和火控修正问题的研究

智能观瞄系统建模和火控修正问题的研究

作者：申程国防科技大学

学位级别：硕士

观瞄系统是一种光机电控一体化的装置,在侦察、预警、制导和火控等武器装备中得到大量应用,能接收区域目标图像,识别目标运动状态,引导信息决策、辅助火力打击,往往是武器装备中造价较高乃至最高的部分。随着武器智能化和装备信息化的... 详细信息

观瞄系统是一种光机电控一体化的装置,在侦察、预警、制导和火控等武器装备中得到大量应用,能接收区域目标图像,识别目标运动状态,引导信息决策、辅助火力打击,往往是武器装备中造价较高乃至最高的部分。随着武器智能化和装备信息化的飞速发展,对观瞄系统提出了越来越高的火控和修正性能的要求,在现代战争中,提高轻武器远距离射击精度也始终是世界各国关注的首要问题。本文以智能观瞄系统建模和火控修正问题的研究为核心,主要研究工作如下:1.基于国产化元器件设计光机电控一体化系统。以国产华为海思Hi3559A主控为核心,外设包括可见光、红外探测器和目镜、激光测距仪、校枪装置等光学器件,也包括环境感知板、电击发装置、平板电脑、电源组件等模块,以主控为核心对观瞄系统各模块进行电气连接设计,基于Linux平台进行系统功能测试和验证;2.研究火控解算模型和软件工作的实现方法。立足高精度步枪的功能需求,分析观瞄系统的工作模式,设计了外部环境感知电路板,在环境自动感知基础上结合射表设计了火控解算算法,研究智能观瞄系统瞄准——击发坐标系变换,设计软件工作流程;3.研究瞄准线抖动规律和人体射击过程动力学特性。根据卧姿有依托狙击动作要领,分析因枪托抵肩造成的瞄准线抖动特性,建立了简化的人枪协同作用坐标系和人体主要关节刚体假设模型,推导了人体核心关节间欧拉动力学方程和运动学耦合特性,提出了人体射击运动过程的目标随动方程,建立Simulink人体射击运动过程扰动观测器模型,为后续研究火控偏差提供理论依据;4.研究火控偏差修正和预测方法。分析因系统误差造成瞄准线偏差的因素,研究瞄准线偏差时间补偿与递推之间的关系,在标准Kalman滤波基础上,采用非线性扩展Kalman滤波方法,对图像测量滞后、电击发装置延迟和传感器噪声三类系统误差造成的瞄准线偏差进行补偿,建立Simulink人体射击运动过程的滤波预测算法模型;5.拓展研究观瞄吊舱宏微复合机电一体化系统。研究超轻型两轴四框架结构设计方法和机械系统载荷分析,分别采用超声电机和音圈电机作为宏微复合系统的粗级和精级驱动,设计宏微复合电气系统,实现了粗级和精级驱动电路“一板两用”,分析轴系几何偏心误差,建立欧拉动力学模型,设计了宏微复合关节控制器,并结合智能观瞄系统的研究基础,提出了班组智能无人狙击作战系统构想。

关键词：智能观瞄系统火控偏差修正环境感知电气设计宏微复合