表面形貌测量仪行走控制系统设计开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)



目的及意义:现有的表面形貌测量仪器可分为接触式和非接触式两种[1]。对于接触式表面形貌测量仪器,测量控制系统控制着被测物体在X-Y 方向的微位移,并采集光栅计量传感器信号,对机械触针在物体表面每点的高度信息进行计量。对于非接触式表面形貌测量仪器,测量控制系统控制着被测物体在X-Y 方向的微位移,并采集光栅计量传感器信号,对各方向的位移进行修正,同时还控制着物体在Z 方向的微位移来保证干涉条纹在物体表面的成像质量[2]。表面形貌测量仪器的发展趋势朝向非接触式光学测量发展,其光学结构和机械结构相对变化较小,在软件方面进行优化,实现更高的测量精度和速度是未来的研究重点之一[3]。由此可见,测量控制系统在表面形貌测量仪器中起着至关重要的作用。近年来测量仪器和计算机技术产生了前所未有的融合,测量控制系统向着智能化、模块化、网络化的方向发展[3]。随着科技的发展,计算机技术与仪器测量技术的不断融合,集成数字芯片处理能力的不断提升,使得精密测量仪器的易操作性,自动化水平,测量采集数据的能力,数据的处理和分析能力得到大幅提升。而与测量仪器密切相关的测量控制系统结合了这些新技术,逐渐向着集成化,模块化的方向发展,这不仅提高了测量系统的稳定性,也极大地降低整个测量控制系统的组建、开发、维护、替换和升级成本[4]。国内在测量控制系统研究领域与国外存在着较大差距,由于国内在计算机领域起步晚,集成芯片制造业基础薄弱,在测量控制系统的设计标准上也主要以参照国外标准为主,使得国内仪器与国外仪器之间的还存在一定的差距。新一代的测量控制系统应用了大量的计算机技术,使得仪器具有更加先进的连通性。在国内现有条件下,充分吸收国内外先进设计思路,设计出适合现有仪器测量控制需求的仪器具有重要意义。位移台是由电机带动的可移动位移装置,是实验室表面形貌测量仪器测量控制系统中的重要组成部分,提高位移台的准确性和可靠性对提高测量精度具有重要意义。近些年来,随着科技不断进步,各种类型位移台在实际使用中发挥了巨大作用。随着人们对位移台使用性能要求不断提高,对其控制系统的合理性和有效性也有了新的要求,而传统的位移台大多采用开环控制方式[5][6],这种开环控制系统可能存在着电机失步或堵转现象,使得位移台的实际位置和理论位置之间出现偏差,因此,闭环控制系统的研究就变得尤为重要,选择适合的位移台控制算法,可以对干扰进行有效的补偿,使位移台的控制精度进一步得到提高[6]。以实现位移台高精度运动为目标,探索位移台高效控制方法,结合经典的控制理论与模糊控制理论,进行了位移台控制系统的研究,构建了模糊自整定PID 控制器,以实现对位移台位置、速度控制,对提高位移台控制精度具有重要意义[6]。采用单片机实现步进电机控制的系统具有成本低、使用灵活的特点,已广泛应用于数控机床、机器人,定量进给、工业自动控制以及各种可控的有定位要求的机械工具等应用领域[7]。目前,步进电机的研发和制造技术已经相当成熟, 研究主要体现在以下几个方面:( 1) 小型化; ( 2) 将位置传感器和变速齿轮等装置与电机集成一体化; ( 3) 相数由两相向三相及五相变化[8]。平常使用的步进电机通常是包含一个步进电机和一个驱动器的集成系统。当集成系统中的驱动器接收了一个外部脉冲后就会驱动步进电机转过一个固定的步距角,不过在开环状态下转子定位精度不高,特别对突加负载或变速时易产生失步现象[9]。 为了避免失步发生,许多国内外学者做了大量的研究工作。目前常采用的的传统PID控制方法难以实现对时变的非线性动态步进电机的进行精确控制[10],为了提高步进电机的鲁棒性,对系统实行在线精确控制,需要在原有的PID控制的基础上,常加入数学算法(例如:遗传算法,神经网络,模糊控制等)来实现对PID控制的参数的精确调节[11],根据步进电机的特性,综合以上考虑,设计一种基于单片机的表面形貌测量仪的行走控制系统,单片机驱动步进电机,步进电机通过联轴器和高精度丝杠相连,在较大的行程目标下(5mm~15mm)实现高精度的位移(0.2μm)在满足稳定性的要求下实现高精度测量,具有重要的实用价值。

国内外研究现状:位移工作台在高精度要求的激光加工和三维扫描测量等领域广泛应用,目前,大部分的二维工作台定位系统,基本有以下几种定位方式:1.步进电机和精密丝杠配合,通过步进电机细分,分辨率可达 2.5μm;2.以压电陶瓷作为驱动器,一般适用于行程要求较高的场合;3.直线电机驱动下的二维工作台。国外在微位移工作台方面的研究比较多,技术比较成熟,已研制出工作范围为50mm×50mm、定位精度达±0.01μm 的精密工作台。世界上技术先进国家和发展中国家都对高精度位移台技术展开了深入的研究,如美国、英国、德国、新加坡等发达国家都纷纷投入到了位移台研究工作当中,这使得他们的位移台研制水平已经达到相当高的水准,不同国家针对位移台产品研究现状表1-1 所示。

表1-1 国外位移台研究现状

国家 自由度 微位移驱动器 控制方式 行程范围 精度

新加坡 二维 压电陶瓷 闭环 45μm*40μm 20nm*18nm

美国 二维 压电陶瓷 闭环 87μm*87μm 20nm

日本 三维 压电陶瓷 闭环 12μm*8μm*5μm 0.01μm

德国 一维 压电陶瓷 闭环 35mm 10nm

美国Thorlabs 公司研制的步进电机位移台是具有代表性的产品之一,根据是否配备有光学编码器,分为LNR50SE 和LNR50S 两种产品,LNR50SE 采用光电编码器与步进电机控制器结合的方式,双向的可重复性是0.3μm,这款位移台适用于高定位精度要求的场合[12]。日本SURUGA SEIKI(骏河)公司生产的自动位移工作台,是利用步进电机控制器和驱动器驱动平台实现的移动,其电动产品精度可以达到0.05μm 至0.1μm,满足了科研机构和工业生产中对高精度自动微调需求,其产品有直线运动、水平面Z、测角仪、旋转4 个运动方向的定位[13]。随着国内制造工艺技术和电子技术等方面的不断发展,目前电动位移台越来越受到人们的重视,渐渐代替手动位移台得到了广泛的应用[14]。国内研究与开发位移工作台的机构有很多,许多高校和企业都先后展开了研究工作,其中在一维和二维位移台的研究较多,也有更高维数的研究。国内北京卓立汉光仪器有限公司研制了许多不同用途的位移台,其中研制的TSAxx 电动位移台,其信号传输方便,并带有保护位移台的限位开关,但该位移台重复定位精度不高,不适用于高精度定位要求的场合,TSAxx 系列电动位移台。



2.研究(设计)的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

研究的基本内容:对一种非接触式光学表面形貌测量仪器的行走控制系统进行研究,通过对国内外精密测量仪器的位移工作台的控制系统研究现状以及发展趋势进行调研,设计一种以单片机控制的二维共基面工作台系统,通过PID模糊控制达到精准控制仪器测量表面形貌的动作,在满足稳定性的要求下实现高精度测量,从而保证测量数据的可靠性。

主要研究内容如下:

(1) 位移台控制系统总体设计方案

根据技术指标要求,确定控制系统组成,设计位移台控制系统总体方案,实现位移台闭环反馈式控制。

(2) 控制系统核心控制模块硬件电路设计。

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