（检测技术与自动化装置专业论文）高精度位置检测及定位技术研究.pdf

东南人学顺l 学位论文 商精度位置榆测发定位技术五) f 究 摘要 精密定位技术既是一项高新技术，也是一项与许多生产实践密切相关的基础 技术，它在半导体器件制造、精密d n t 、电子产品组装生产线、高清晰显示器件 制作及纳米技术研究开发等领域具有较广泛的应用前景。本课题在此背景下，对 精密定位工作开展研究，内容涉及激光精密检测系统的计算机控制与仿真、精密 传动机构及其驱动、优化控制方法等。我们构建了一个精密定位实验台，采用步 进电机作为驱动器，使用细分技术及差动莫尔技术来实现光栅的粗、精两级驱动 定位，利用工控机、h e - n e 激光发生器和一对光栅实现位移反馈并实时监控系统 运行，整个系统的核心部件机械制造精度为l “m 。利用此精密定位实验台实现 精密直线定位的控制策略，其运行结果达到定位精度0 9 u m 。在此基础上，将 模糊控制理论应用于定位技术中，实现快速精密定位控制。经过在精密定位实验 台上的运行结果，证明采用模糊控制理论实现对精密定位控制系统的控制具有较 好的控制效果。最后，论文分析介绍了课题进一步的研究方向。 关键词：精密定位 直线定位 差动莫尔 模糊控制 乐嘲人学 口! i 学位论义l 岛桔度位越检测及定位技术研兑 a b s t r a c t t h e p r e c i s ea i i g n m e n tt e c h n o l o g y w h i c hc a n a p p l yt o m a n v s u b j e c ta se x a c ts c i e n c ea n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n gi s a ni m p o r t a n t h i g h - t e c h t h e r ea r et w op r i m a r ym e t h o d s t h a ta r eu s u a i | ya p p l i e di n t h ep r e c i s ea l i g n m e n tt e c h n o l o g y t h eb a s i ct h e o r yo fp r e c i s ep o s i t i o n d e t e c t i o nu s i n qd i f f e r e n t i a im o i r 6g r a t i n gt e c h n i q u ei si n t r o d u c e d ，a n d a na u t o m a t i ca i i g n m e n ts y s t e mi sa l s od e s i g n e da n da c h i e v e d t h e c o n f i g u r a t i o no ft h ea u t o m a t i caj - g n m e n ts y s t e mi s i n t r o d u c e d t h e | i n e - p r e c i s ea | i g n m e n t w h i c hi st h ef o u n d a t i o no ft h e p r e c i s e a i i g n m e n ti sp r e s e n t e da n do b t a i np r e c i s i o nw h i c hi s 0 9 u mo nt h e a u t o m a t i ca | i g n m e n ts y s t e m t h er e s u l to fe x p e r i m e n t a t i o np r o v e s t h a tt h ed i f f e r e n t i a i m o i r 芭t e c h n i q u e i san o v e la n d p r o m i s i n g p r e c i s i o np o s i t i o n i n gm e t h o d w i t h t h ei n t e n t i o no fa c h i e v i n gaq u i c k l y a u t o m a t i cs y s t e m ，t h i sp a p e rb r i n g su pan e ww a yt h a ta p p l i e dt h e f u z z yc o n t r o it op r e c i s ea l i g n m e n t t h i sp a p e r o b t a i n e daf u z z yc o n t r o i t a b l eb yal e a v e l i n eo p e r a t i o na n do n - l i n ed e b u g t h e nw e u s et h i s t a b l et ot h ea u t o m a t i cs y s t e ma n do b t a i nt h es a m ep r e c i s i o nb u tt h e t i m eo fa l i g n m e n ti ss h o r t e rt h a nt h er o u t i n ec o n t r 0 1 s ot h a ti t i s s u c c e s s f u lt h a tt h e f u z z y c o n t r o it h e o r ya p p l y t ot h e p r e c i s i o n a i i g n m e n tt e c h n o l o g y t h ea u t h o rb r i n g su p t h en e wr e s e a r c hw a yi n t h i st a s ka tt h ee n do ft h i sp a p e n k e y w o r d ：d i f f e r e n t i a lm o i r 芭p r e c i s i o n p o s i t i o n i n g f u z z yc o n t r o 2 n ep o s i t i o n i n g 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：赴! 匀堑翩签名：辱璺蚣日期：2 巫垃g 苎卫型苎型生竺型燮 壹塑壁垡里丝型丝塞竺些查塑塑 第一章精密定位技术 1 1 精密定位技术介绍 精密定位技术是当前国际科技界重点研究、开发的高新技术之一，它是精密加工、电子 产品组装生产线、高清晰显示器件、半导体集成器件制造业及纳米技术研究的项基础支撑 技术，同时也是一门综合性的技术，它涉及到光学检测、数值计算、控制理论、机械结构设 计及其他一些周边支撑技术：如温控技术、隔振技术等多学科领域。 现代工业和科学技术的发展对检测提出新的要求高精度、大量程和数字化是检测新的 发展方向。现代精密机械和仪器的位移要求达到微米级、亚微米级，甚至更高到纳米级。检 测的数字化即参数的数字化( 量化) 使得检测和计算机技术得以结合。在精密定位领域，高 精度的位置检测技术是系统成功的关键。它实时的将位置信息反馈给定位系统，驱动执行机 构到达指定位置。传统的检测方法常常仅针对一维位置量，而定位系统的位置信息多数是二 维，甚至是三维的，并且对位置信息的检测更注重在定位点附近的微小偏差，这使传统的检 测方法面临着巨大的挑战。 进行高精度的位置、位移检测，目前世界上普遍采用主要有双频激光法和光栅测量技术： 敢频激光干涉仪是一种常用的超精密位置测量装置，它以激光在真空中的波跃作为长度基准， 可以达到纳米级的测量分辨率，但在实际的测量过程中，激光束在空气中通过时，其波睦受气 压、温度、湿度等环境参数的影响会发生变化，从而降低其测量精度。另外在布置光路时， 不可避免地存在着阿贝( a b d e ) 误差和余弦误差，又进一步影响了测量精度。光栅测量技术是 通过叠加在一起的两片光栅发生干涉产生莫尔信号，通过对莫尔信号的分析处理来实现对位 置偏差的测量。与激光干涉仪具有基本相同的测量精度，但它除了受温度的影响之外，几乎不 受其他环境因素的影响，使用维护非常方便。 六十年代，随着集成电路制造技术的大力发展，激光光栅定位技术得到了广泛的应用。 1 9 7 2 年，美国科学家m c k i n g 和d h b e r r y 首先将莫尔传感技术( m o i r 6s e n s i n g t e c h n i q u e ) 应用到照相制版的定位控制中，定位精度达到2 0 0 h m 。2 0 世纪7 0 年代末，英国 科学家g b o u w h u is 和s w i t t c h o c k 采用同样的原理获得了l o o n m 的定位精度。后来，为了 获得更高的定位精度和灵敏度，美国科学家d c f l a n d e r s 和h i s m i t h 采用激光经光栅衍 射后的+ 1 次和一1 次光强作为定位控制系统的控制信号，但这种方法没有解决光栅组间距 对信号灵敏度的影响。目前，最新的研究结果表明，采用激光衍射后的0 次光强作为定位控 制信号的修正莫尔技术( m o d i f i e dm o i r 6t e c h n i q u e ) 和差动莫尔技术( d i f f e r e n t i a lm o i r 4 t e c h n i q u e ) ，定位点附近信号光强灵敏度高、信噪比高，可以获得很高的定位精度。在采用 差动莫尔技术的自动定位控制中，定位精度可以达到4 n m “。 精密定位技术的研究一直受到国内外研究机构的高度重视，因此推进精密定位技术的研 究、开发和应用，为与之相关的高新技术产业的发展提供技术支持有着重要的意义。 1 2 国内外研究现状及意义 精密定位一词最早于2 0 世纪6 0 年代初出现于美国，从那时起，随着定位技术的不断提高 精密定位的精度也由距微米级提高到了纳米级甚至亚纳米级。1 9 8 6 年、1 9 9 0 年、1 9 9 8 年， 东南大学坝l ：学位论文 高精度位置检测及定位技术研究 日本精密工学会曾就超精密定位所应具有精度指标对有关企业和研究单位q ? y 问卷调查 统计结果的平均值大约为： 1 9 8 6 年0 1um 1 9 9 0 年0 0 3 8um 1 9 9 4 年0 0 0 7 8um 从这组数据可看到随着科学技术的发展，由此也促进了精密定位技术的发展，国外精密 定位技术已经有应用产品出现，特别是应用光栅检测技术如德国h e i d e rh a i n 公司生产的光 栅位置检测仪的测量分辨率为0 0 0 1um ，检测精度为0 1um 。最广泛使用精密定位技术 的精密机床也有应用产品：国外已有超精密机床采用光栅作为位置反馈元件如美国 r a n k p n e u m o 公司的n a n o f o r m2 5 0 ，日本东芝机械研制的u l g - i o o a 等”1 。国内对精密定位的 研究和应用还处于初始阶段，目前从事这方面研究的单位有：北京光电量仪研究中心、哈尔 滨工业大学精密工程研究中心等。应用产品有：北京光电量仪研究中心研制的光栅位置检测 仪，其检测分辨率为0 o 】um ，检测精度为1um ，检测范围为1 0 0 m m ；由哈尔滨工业大 学精密工程研究中心研制的hcm 一3 0 型超精密数控车床，则采用了高精度光电码盘和单频 激光干涉仪相结合的双反馈控制策略技术。由于起步较晚，与国外有一定的差距。随着我国 工业生产自动化程度的提高，对精密定位技术的开发、应用正在提出越来越迫切的要求。如， 电子元器件自动装配、焊接生产线上，元器件的定位精度要求达到1 0 微米；又如，在高清 晰度显像管的荫罩网板生产中，曝光框架的对版定位精度要求达到1 微米；再如，大规模集 成电路制造技术中，要求的定位精度为版图最小线宽的十分之一，以集成度为1 g b i t s 的 d r a m 为例，其最小线宽为o 1 5 微米，对于定位精度的要求达到1 5 纳米p j f 4 j f ”。由于国内 精密定位的研究起步比较晚，除少数引进设备外，许多企业还停留在放大镜下观察、人工定 位的生产阶段，严重制约了生产效率和产品合格率的提高，成为提高产品质量和数量的瓶颈。 1 3 本课题的研究内容 高精度位置检测及其定位技术的广泛需求，使得它的理论和技术研究工作在不断的发 展，本谍题即在此背景下，对精密定位工作开展研究。内容涉及激光精密检测系统的计算机 控制与仿真、精密传动机构及其驱动等。具体的任务包括： ( 1 )建立一个专门实现精密定位研究的实验台，该实验台包括的软、硬件系统构建 要能满足用于精密定位所要求的各项功能并且要达到一定的精度； ( 2 )采用一般控制方法实现精密定位技术中最基础的定位技术：精密直线定位技 术，且其精度达微米数量级。 ( 3 )在( 2 ) 的基础上，将模糊控制理论应用于定位技术中，实现定位时间短、定 位效果好的最优控制。 2 东南人学坝士学位论文 商精度位置检测及定位技术研究 第二章精密定位实验台的构建 为了能对精密定位技术展开研究，我们构建了一个精密定位实验台，要求其定位精度在 微米级，实验台外形尺寸、系统成本都不能太大。根据此要求，制作一外形尺寸为1 2 0 0 m m x 6 0 0 0 m m 8 0 0 m m 的工作平台，采用步进电机作为驱动器，利用步进电机的驱动特性，采 用细分技术及差动莫尔技术来实现光栅的粗、精两级驱动定位。为了能够实现位移反馈并能 实时监控系统运行，利用工控机、h e n e 激光发生器和一对光栅来处理系统位移信息。本系 统的核心部件机械制造精度为1um ，基本满足系统需要。 下面介绍精密定位实验台中的关键部分，包括精密定位原理，实验台软、硬件以及几种 控制方式。 2 1 基于差动莫尔信号的精密定位原理 2 1 1 双光栅衍射方程“6 由波动光学的理论可知光是电磁波的一种形式，激光发生器所发出的单色光波经狭缝衍 射后以柱面波的形式向外传播。图2 - 1 中激光束垂直透射两片平行设置的位置传感器光栅， 其波动方程在柱坐标系下求解，得出经光栅1 衍射后在光栅2 背面所形成的光波复振幅方程： 激光束 r 厂 ，弋， 图2 - 1 光栅结构示意图 x o ( 置，g ) + x l o 吵，( 缸，g ) 州g ) - 葚1 ( 1 + 旦) 扩氐 ( 2 _ 1 ) 吣，g ) 2 荟mr ( 1 + 加氐 ( 2 。1 ) ， 式中 r = g2 + ( x + 脚) 2 = g2 + ( x l 一工o + 御) 2 k 一光波矢k = 2 , r 2 ： 2 m + l 一激光束光斑所覆盖的光栅条纹数； g 一两片光栅之间的i n 隔： 小一两片光栅的相对位移： p 一光栅常数。 东南人学顺i ：学位论文 高精度位置检测及定位技术研究 光栅i 平2 均为黑白光栅光波复振幅分布p ( _ ，g ) 经光栅2 振幅修正后，在夫琅和费衍 射条件下远场复振幅分布为： 式中n 是衍射光的衍射级次，对于n = 0 级衍射光有 1 o g ) d x l 一0 7z 方向 07 、 f 横向瞎动( x 方向) 图2 20 次光透射差动光栅副三维光强仿真图 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 根据文献【1 ，由式( 2 i ) 和( 2 3 ) 得到的。次衍射光仿真结果如图2 2 所示，横坐标反映x 的变化，即幽2 - 1 中光栅2 相对于光栅1 平行移动时的相对位移量纵坐标反映了v 的变 化，即图2 - l 中光栅2 相对于光栅l 前后移动时的相对位移量。图2 1 中g 表示光栅1 和2 之间的间隔，它与光栅常数p 之间的关系为： g ：p 2 五 ( 2 _ 4 ) 式中m 是一非负数， 为激光波长。根据幽2 - 2 由z 方向曲线可以看出随着两光栅间隔g 的增人，0 次衍射光光强呈周期- 生变化，借助此关系能够进行两光栅之间的间隔距离定位。 而在z 方向上任何一个位置作横向移动x 方向位移光强变化曲线亦呈周期性变化规 律，特别是当两光栅间隔g 为p2 从的整数倍时，x 方向的位移光强幅度变化最大，在 此位置上检测反映两光栅相对位移的光强变化量灵敏度较高。这说明激光经坝光栅衍射后光 4 出 竽 吖 嵌g y m ，m 生： 旦： g缸 妒 0 i 抄m 吡一： 心一： = 0回 缸 ( 查堕茎兰堡：! 竺篁堡兰 壹堕鉴垡里丝型丝塞垡垫查堕壅 强变化具有稳定的规律性，且o 次光在各级衍射光中光强最强，非常适合于高精度精密定位。 2 1 2 差动莫尔技术7 m 1 利用光栅进行检测主要有两种技术：修正光栅技术和差动光栅技术。修正光栅技术即简 单地测得一绲光栅信号，再用这个信号去减自身的反相信号，然后通过相减获得的信号来进 行检测，这种方法的使用会放大误差。而差动光栅技术获得个位移信息需检测两组光栅信 号，这两组信号本身是反相的，两者相减获得的信号用于检测能有效地消除部分干扰，尤 其是共模干扰，并且使信号强度放大一倍，有利于微弱信号的检测。其原理如下： 激光柬 8 。0 。 图2 - 3 差动光栅设置 ( a ) 光强原始曲线( b ) 光强差动曲线 图2 - 4 差动曲线 一组光栅发生相对位移时可以形成周期性光强变化信号即莫尔信号，因此设计如图2 - 3 所示的差动光栅结构，即将光栅c 相对于a 向左错开+ p 4 ，光栅d 相对于b 向右错开p 4 。 激光束垂直透过这两组光栅，光栅c 和d 相对于光栅a 和b 做同向平行移动，正好可以获 得空间相位相差i 8 0 。的两组莫尔信号，如图2 _ 4 ( a ) 中，和，所示。在一个位移周期p 内， ，和，、光强曲线相交的点就是定位点，如图2 _ 4 ( b ) 中p ，点，此时位移偏差为零。这两个 莫尔信号相减得到的差值称为差动莫尔信号。从图2 - 4 ( b ) 中，可以看出差动莫尔信号将 反映位移变化的光强有效地放大一倍，这样在定位控制中的微小位移便会导致比较大的光强 变化，极大地提高了位置检测信号的灵敏度且在定位点附近光强变化与光栅移动的位移蛀 成线性关系，可以定量地获得位置偏差的大小，使得定位控制精度很高。同时利删著动莫尔 垮 8 一 一 。一? 东南人学坝i j 学位论文 - 岛精度位置检测及定位技术研究 信号的正负极性还可以进行位置偏离方向的判断，从图2 - 4 ( b ) 中可以看出，在一个位移周期 内如果差动莫尔信号( ，2 一，。) o ，位置偏差点位于定位点只的右边，如果差动莫尔信号 ( ，：一1 1 ) c o ，位置偏差点位于定位点只的左边。 差动莫尔技术抗干扰能力强，可以有效地消除干扰信号的影响，具有很高信噪比。优点 主要表现在以下三方面： ( 1 ) 消除共模干扰 当信号的位移一光强曲线并不规则且有畸变时，由两个莫尔信号 得到的差动莫尔信号曲线能消除这种畸变。从而提高检测的准确性。 ( 2 ) 小随机干扰信号的影响在检测过程中，会有各种随机干扰信号出现，但这些干 扰都有一个共同的特点。即在光栅移动到同一位置处，同一时间接收到的干扰信号是相近甚 至是一致的，随机干扰信号的极性不变。采用差动莫尔技术能完全消除这类误差，如图2 - 4 ( a ) 和( b ) 所示，图( a ) 中莫尔信号，和，都出现了随机干扰信号，在图( b ) 中采用差动莫尔技术 后其差动曲线有效消除了干扰信号，得到了稳定的差动莫尔信号。这样避免采用其他复杂滤 波方法来解决随机干扰问题，这正是差动莫尔技术的主要优点所在。 ( 3 ) 减小激光光强衰减对定位精度的影响光强会随时间衰减是激光的固有缺点，但 是在本系统基本定位原理中激光光强发生变化，所测得两个莫尔信号亦会发生同样大小的变 化，由此得到的差动莫尔信号仅光强幅值有微小变化，定位点不发生漂移。 综上所述，采用上述差动光栅结构，能得到空间相位差1 8 0 。的差动莫尔信号，使用此 莫尔信号进行精密定位，具有定位精度高、抗干扰能力强的特点，极大地改善了检测信号的 信噪比，能够满足精密定位所要求的微米级定位精度。 2 2 系统总体设计方案 图2 - 5 精密定位实验台组成系统图 本课题研究的精密定位系统由三部分组成：精密检测部分、精密定位控制部分、精密机 械结构及驱动部分。整个系统构成如图2 5 所示。 精密检测部分涉及微米级微小直线位移( 水平方向和垂直方向) 及微小角位移高精度检 测。光源部分采川波 ：= 为6 3 28 n m 的h e n e 稳频激光发生器，激光束经过分光镜分光后垂直 通过一绸光栅栅格被分成0 次光、1 次光、2 次光我们选择0 次衍射光光强变化米反 映两扳之间位移变化量。精确定位控制必须对x 、y 、z 三个方向的位置偏差进行控制，其 6 至塑查兰堡二! 三兰篁堡三! ! ； 堕堕生些墨丝型丝塞堡垫查竺塑 中x 、y 方向的要求较高，并且在短时间内要求达到最佳的定位效果。机械结构要求有足够 的加工、装配精度，尤其是机械执行机构要求较高精度。驱动系统采用步进电机驱动阿基米 德凸轮t 阿基米德凸轮加工精度较高，利用其角度变化与位移成线性关系特性，能够驱动刻 有筹动光栅的动板，实现均匀移动。步进电机驱动控制器可分大步驱动和细分步驱动设定方 式，能够满足系统不同的驱动要求n 0 3 。 2 3 系统硬件介绍 实验台的主要硬件包括：差动光栅、激光发生器及其配套电源、分光系统、信号放大电 路、机械执行机构、步进电机及其驱动系统、数据采集系统、工业控制计算机等组成。硬件 部分是难点，不仅工作量大涉及的技术领域比较广更重要的是将采用先进技术手段和精 密定位领域的最新研究成果应用于该实验台上，以满足多种条件下精密定位实验研究的要 求。 2 3 1 羞动光栅 图2 - 6 动框架结构及检测光栅位置结构图 本系统中为使定位获得高精度，首先使用粗调方式将动板上的十字形对板标记与定板 上的十字形对扳标记大致重合，以达到精调的范围( 5 0 um ) 。采用差动莫尔技术实现精密 定位控制系统微小位移偏差检测，用六组检测光栅进行信号的检测，可获得x 方向两个位置 偏差信号和y 方向一个位置偏差信号。图2 - 6 所示为系统框架结构及检测光栅位置图。在本 系统中，检测光栅栅距p = 1 0 0 um ，每两组检测光栅构成对一个位置偏差的检测，图示为横 向位置偏差的两组检测光栅示意图和纵向位置偏差的两组光栅示意圈。在检测光栅的设计 中，根据差动莫尔技术，将动板上的两片光栅与定板上的两片光栅分别错开+ p 4 平- - p 乱 一查堕查兰堡主主垡丝兰 壹塑壁垡墨丝型丝塞垡垫查堕塑 为了获得良好的检测效果。为避免不同检测光栅组衍射后激光光强之间的相互影响，在刻划 光栅时，将同一组检测光栅安排在对角位置，检测光栅组a 、b 、c 如图2 - 6 所示，其中，a 、 c 为横向位置偏差的检测光栅组，b 为纵向位置的检测光栅组。d 为一组激光光强全部投过 的玻璃镜片，通过d 的激光光强作为激光光强波动补偿的参考信号和备用信号。 2 3 2 激光光源与分光系统 1 激光发生器”“ 光源的质量是系统成功检测的首要前提，同普通光源相比，激光具有四个显著的特点： 高方向性、高亮度和高功率辐射密度、极高的单色性和相干性。本检测系统衍射光栅模型是 建立在单色平行光入射条件下的，所以激光是理想的光源选择。目前，在精密检测中应用最 广泛的激光发生器是氦氖激光发生器。氦氖激光发生器的主要输出波长有0 6 3 2 8 u m 、1 1 5 u m 和3 3 9 u m ，而以0 6 3 2 8 u m 的性能最好。氦氖激光发生器的波长不确定度在i 0 。a m 左右， 采用稳频措施后，不确定度可达1 0 1 2 以下。氦氖激光发生器单色性好，发散角只有1 2 m r a d ，相干长度可达十米以至百米，同时光束细、方向性好，有极小的光束发散角，非常 适宜进行光栅信号检测。 在精密定位中对检测精度要求极高，因而对光电检测采用光源的发光谱线特性、发光强 度平| j 稳定性等，均提出了较高的要求。本系统采用波长为0 6 3 2 8 u m 、功率为1 6 m w 的半外 腔式氦氖激光发生器。从稳定性角度考虑，配备了高精度稳频激光配套电源，供电电源采用 交流稳压电源。 激光发生器本身的稳定性直接影响检测精度，它包括两个方面： ( 1 ) 功率稳定性氦氖激光发生器输出功率的稳定性直接影响检测的精确度。因为输出 功率直接确定了光强大小，而检测系统正是通过澳4 得的光强大小来反映位置信息的。由于氦 氖激光发生器自身的结构和工作原理所限，它的输出功率会随着时间作周期性或随机性波 动，分别称为噪声和功率漂移。其中噪声产生原因可来自自发辐射的随机性、振荡模不稳定 性、谐振或受外界的机械振动等。功率漂移则可能源自于放电电流波动、谐振腔光轴与毛细 管轴线相对位置发生变化以及纵模的变化。温度的不稳定及激光发生器的自然衰减，都会给 激光光强的输出造成一个噪声信号。为了提高激光输出功率的稳定性，对于噪声漂移可以通 过软件滤波加以消除。而功率漂移可以在使用激光发生器前先点燃一段时间使管内温度稳 定，以及使用重要的稳频技术加以控制。 ( 2 ) 频率稳定性氦氖激光发生器的波长为0 6 3 2 8 u m ，但由于温度及其他环境条件的变 化，使激光发生器的输出频率绝对保持在一个特定的值上是不可能的。可采取一定的措施， 使输出频率稳定到一定程度。表示频率变化程度的物理量有两个：频率稳定度和频率再现性。 频率稳定度： s ：a y y ( 2 - 6 ) 频率再现性： 爿= t 萝i ，y( 2 7 ) 其中y 为参考频率，y 为一定环境下频率在观测时间内的变化量，扔7 表示在不同时间地 点环境f 频率的改变量。激光发生器谐振腔的机械睦度、腔镜片之间介质的折射率变化直接 导致频率的变化是内部因素。上述两物理量的变化主要受到温度、震动、大气的影响。而频 率不稳与功率的漂移是直接相关的，所以必须采取稳频措施来提高频率的稳定性。除了直接 采_ l 叵温、防震干密封等措施外，工程上还常采用兰姆下陷法稳频技术，可使激光发生器频 率稳定度提高两个数量级。 2 分光系统”3 塑查兰竺圭堂竺堡壅 塑堕垦垡墨丝型丝塞垡丝查竺丝 本系统中，要求h e n e 激光发生器通过光学分光系统获得8 束光强相同的激光束( 其中 六束用于光栅莫尔信号的检测，束作为补偿用，一束备用) 。 图2 7 一分四透镜组合分光图 差动莫尔技术要求具有相同信息的激光同时照射到光栅副，因此氦氖激光发生器发射的 一束激光通过光学分光系统分成八束光强和相位尽量相同的激光束。根据动板光栅结构，光 学分光系统包括上下两组一分四透镜组合，动板上下光栅副各需4 路激光束。如图2 7 所示 一分四透镜组台。一分四透镜组合采用半透镜和全反射镜组合构成分光光路，为使分光后出 射光的强度相同、光强变化规律一致，所有的半透镜均采用镀膜工艺：在镜片表面镀增透膜， 以减少表面的反射损失：在投射面和反射面处镀半透膜，在 = 0 6 3 2 8 u m 时，半透膜的透反 比r ：t = 1 ：1 ，即投射光强与反射光强相等。 在检测系统中，激光束的光强作为信息的载体，经过光栅发生衍射后，输出含有位置 信息的光强信号( 即莫尔信号) ，被光电接收放大电路转换成电压信号，再经a d 转换为数 字量送入计算机，由数据处理程序进行判别、分析、控制。 2 3 3 步进驱动系统 1 步进电机1 1 4 1 1 1 5 i i 6 i 步进电机能将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移。对步进电机发一个控制脉冲， 其转轴就转过一个角度或者一个直线位移，称为一步，因此步进电机的运动状态是以步进形 式进行的：其直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比，所以电机的线速度或转速也与脉冲 频率成正比：通过改变脉冲频率就可以在很大的范围内调节电机的转速，而改变分配脉冲的 相序，可实现步进电机反转，所以它能快速启动和制动。若用同频率的脉冲控制数台步进 电机可使它们同步运行。步进电机的步距角和转速大小不受电压波动和负载变化的影响， 也不受环境条件如温度，气压，冲击和振动等影响，仅与脉冲频率有关，它每转一周都有同 定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。这些特点使它完全适用于数 字控制的开环系统中作为伺服元件，并使整个系统大为简化而又可靠运行。 步进l h 机与一般电机相比具有以下优点： f 1 1 步进电机的工作状态不易受各种干扰因素( 如电源电压的波动、电流的火小与波形 9 东南大学坝上学位论文 高精度位置检测及定位技术研究 的变化、温度的变化等) 的影响，只要在它们的大小未引起步进电机产生“丢步”现象之前， 就不影响其正常工作。 ( 2 ) 步进电机的步距虽有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转过一转 后，其累积误差为零，不会长期积累。控制性能好，在启动或停止反转时不易“丢步”。因 此常被用作定位控制系统的执行元件。利用闭环反馈，还可以校正传动装置的间隙及热膨胀 冷缩等因素而引起的误差。 ( 3 ) 它可以开环方式驱动而无需反馈， 机适合于数字计算机控制：机械机构简单 不会损坏相当坚固耐用。 无稳定问题：能响应数字输入信号，所以步进电 很少或无需维护，不易受污染；可重复的堵转而 正因为它的这些优点，近2 0 年来，步进电机已经广泛应用于数字控制系统中，例如数 控机床、绘图机、计算机外围、陂各、自动记录仪表、钟表和数模转换装置、精密定位等。 步进电机由于制造工艺等方面的原因，其步距角不可能做得很小，由此带来两个问题： ( 1 ) 由于步进角大，运行时存在明显的步进感： ( 2 ) 由于步进角大，步进时易产生振荡和失步，限制了其启动和运行的步进速度。 大多数整步和半步的驱动器在低速( 1 0 0 2 0 0 p p s ) 时不稳定，它们不能应用在要求精 确和无振动的场合，细分步控制是解决这个问题的途径。细分步驱动又叫微步驱动，它将电 机绕组中的电流细分，由常规的矩形波供电改为阶梯供电，这时，绕组中的电流经过若干个 阶梯上升到额定值，或者以同样的方式下降到零。虽然这种驱动电源的结构比较复杂，但是 它具有以下特点：在不改变电机内部参数的情况下，能使步距角减小，步进误差减小。相应 提高了分辨率和步距精度，减弱了低频振荡问题，经过细分后，驱动电流的变化幅度大大减 小，故转子到达平衡位置的能量也大大减少；另一方面，控制信号的频率可提高n 倍( n 为细分数) ，故可远离转子的低频谐振频率。因此细分驱动不仅能使步进电机运行平稳，提 高匀速性，而且还能减少或消除振荡。因细分增加了运行拍数，还可以获得较大的启动转矩。 本课题选用德国百格拉( b e r g e r ) 公司生产的三相混合式步进电机及驱动器。b e r g e r 三相混台式步进电机主要性能如下：采用特殊机械加工工艺，电机定转子间气隙仅为5 0 m m ； 电机转子定子直径比为5 9 ，大大提高了电机的工作扭矩，三相3 2 5 v 高压驱动，大大提高 了高速扭矩；磁极数量多于五相步进电机，平稳性和定位精度远高于五相混合式步进电机： 采用交流伺服原理，具有交流伺服电机运行特性；空载启动速度4 7 8 0 转秒：电机的扭 矩与电机步数转无关，满负荷、1 0 0 0 0 步转时能平稳运行和精确定位。 与步进电机配套的驱动器主要性能如下：交流伺服工作原理，交流伺服运行特性，三相 正弦电流驱动输出；高电压、小电流驱动，电流随转速增高而变大。增大高速扭矩、减小电 机发热；电路板采取三防处理，有过压、欠压、过流、相间短路和过热保护功能；具有十细 分和半流功能；更高的定位精度，可控制电机在任意细分步数情况下，如1 0 0 0 0 步转时精 确定位；输出相电流可设置( 满足不同电机的需要) ：具有相位记忆功能( 电机上下电时， 保持电机上f 位置不变) 。 步进电机驱动系统主要用于开环位置控制。在精密定位控制系统中，步进电机作为一 个执行元件，与控制电路、工控机、功率驱动电路及负载组成一个开环控制系统。 2 步进电机驱动扳卡 本课题用于驱动步进电机控制器的步迸电机驱动板卡采用四通电机公司生产的6 0 2 0 系 列i s a 总线三轴步进电机驱动卡，该控制卡能精确控制所发出脉冲频率( 电机速度) 、脉冲 个数( 电机转角) 及频率变化率( 电机加速度) ，它能满足步进电机的各种复杂控制要求。 该 具有三个单片脉冲发生器，能够同时或独立地控制三个电机运转。启动及运行速率可编 程殴定。控制信号采用两种方式：双脉冲方式( + 利一方向脉冲) 利单脉冲方式( 方向脉 0 墨堕查兰塑：! 堂垡堡兰 立丛鉴垡墼笪型丝塞些垫查业壅 冲) 。控制信号使用何种方式输出由控制器的驱动软件设置。6 0 2 0 系列步进电机驱动板卡拥 有8 路光隔离输入，2 路继电器输出。提供步进电机两种基本运动形式：轴的点到点的运动 控制( 位置模式) 和速度控制( 速度模式) 。 3 位置驱动机构1 1 7 1 动扳 图2 - 8 驱动机构示意图 n 轮 位置驱动结构要求凸轮移动平稳，响应速度快，定位精度高。因此机械伺服装置要求精 密，结构简单紧凑，可靠性高，保证系统的技术指标得到实现。精密机械伺服装置由动力元 件、传动链、凸轮组成。动力元件就是驱动凸轮的动力源，本系统选用体积小、重量轻、易 程控步进电机驱动定位。传动链是把动力元件的动力转换成凸轮的移动机构，设计为螺旋机 构，以保证有较高的传动精度，它的运动方式为丝杆转动，螺母移动。凸轮使用阿基米德凸 轮来将角位移转化为直线位移。 在精密定位控制系统中，为实现高精度微位移驱动，机械执行元件采用阿基米德凸轮机 构。在定板的四端按图2 - 8 所示结构依次安装四个阿基米德凸轮，阿基米德凸轮理论上具有 等进给性，可把角度量线性地转化成直线驱动量。凸轮与定板之间钢性连接。本系统阿基米 德凸轮加工精度! u m ，凸轮在0 3 0 0 。之间转动，产生直线位移变化量o 2 m m ，即每旋 转01 6 。位移变化l u m 。阿基米德凸轮产生最小直线位移量小于l u m ，步进电机每发一个 脉冲对应步进电机步距角小于o ，0 3 。步，基本满足了系统要求的定位精度。 2 3 4 光栅信号调理电路“”“9 光传感器能将被检测的光信号转换成电信号( 电压或电流信号) 。具有这种功能的材料 称为光敏材料，用光敏材料制成的器件称为光敏器件。传统的光敏器件是利用各种光电效应 制作的器件。它们相应的元件有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二级管、光敏三极管 和光电池等。光传感器的精度高、分辨率高、可靠性高、抗干扰能力强，并可进行非接触检 测。除可直接检测光信号外，还可间接检测位移、速度、加速度、温度、压力等物理量，所 以发展速度很快，获得广泛的应用。 硅光电二极管是利用n 型和p 型硅构成p - n 结的器件，该器件的特点是有较小的暗电流 及较小的温度系数，且体积小、响应速度快、线性工作范围大、耗电小、寿命长和使用方便。 其】_ ：作原理：处于反向偏置的p n 结当无光照时，其p 区电子和n 区空穴数目都很少，反向 电阻很人，反向电流很小。当光照时如果光子能量足够火，产生光生的电子一空穴对，在 p n 结电场作用下，电子向n 区运动，空穴向p 区运动，形成光电流，其流向与反向电流一 东南大学硕士学位论文高精度位置捡测及定位技术酬究 致。且光照度越大，光电流越大。 硅光电二极管的主要特性如下： ( 1 ) 光照特性。在反偏区中光电流与入射光功率成线性关系，光电流的大小与负载 电阻无关。 ( 2 )伏安特性光电流没有达到饱和值前，输出不受偏压大小的影响。 ( 3 )频率特性。光电二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，普通光敏 二极管其频率响应时间达l o 脚。 ( 4 )温度特性。光敏二极管在外加电压和照度不变的情况下，其光电流和暗电流都 随温度而变。在精密检测中应注意采取措施来减小温度的影响。 硅光电二极管接收光栅衍射后的0 次光，并将其转化为电流信号，但该信号非常小，需 通过专门的放大电路来进行信号放大，并且同时把电流信号转化为电压信号，以便通过专用 数据采集卡实现a d 转换。 i n 【 心 g n d 图2 - 9 微弱信号放大电路 图2 - 9 为用来进行信号放大的电路，由a ，组成第一级电流电压变换电路，其输入电阻， 相对光电二极管的内阻，可以近似为短路工作状态( 因此光电二极管处于零偏) 。a z 、a s 、扎 构成三级电压放大，在儿、舡、a 4 之间跨接电容，其作用是降低高频噪声，它在电路中对高 频噪声有1 0 0 的负反馈。 第一级电流转化为电压： 输出电压为：u = i 。r ， ( 2 - 8 ) ，o 为光电二极管由衍射激光照射产生的电流。 三级放大电路的放大倍数为； 舻堕r i _ _ l xrw2(2-9) 舻云r 。r 1 4 。 8尺l o 本电路中毗= 2 0k q ，风= 1 0k q ，凡= 1 0 0k q t r , 0 2 1k q ，r 一- 2 1 0 0k o r 2 l ok q ， r w ：为1 0 0k q 的可变电阻，用于调节输出，l g e , 的幅度，也使放大倍数在一定范嗣内调l ，a 信号经三级放大后，输出电压范围在o - 1 0 伏之间。 在电路设计过程中考虑到检测信号很微弱，容易引入大量高频噪声，因此采用逐级放 人，逐级滤波的方法，逐步消除其中的高频噪声，避免一次放大导致噪声和信号同时放人的 后果，并且在其中加入低通滤波电流t 形网络以便进一步滤除高频噪声。 东南人学顺十学位论义 商精度位鬣检测及定位技术研究 由于信号微弱，在电路设计时不仅耍考虑到高频噪声，而且还要考虑如何消除干扰，一 方面要考虑解决外部环境的干扰，另一方面还要考虑防止内部电路信号间的相互干扰。本电 路的抗干扰设计主要有：为防止噪声源产生的强外部电磁干扰，使用金属屏蔽罩对整个采集 电路进行了电磁屏蔽保护：在内部线路设计上。对弱信号传输线采取地线包围保护措施，以 避免电路内部其它强信号的干扰；在电源方面，在选用高质量的直流电源供电的基础上，进 一步设计使用大量电源滤波电路，以排除电源噪声的干扰。通过采取上述措施，我们获得了 高质量的微弱信号采集放大屯路。 本电路实现对光电检测器微弱信号的正比放大能够实现信号不失真。电路简洁稳定， 能够在光信号不够强和光波长不在光电检测器响应峰值范围等情况下进行信号检测，弥补了 系统检测灵敏度的不足，应用效果良好。 2 4 系统软件设计 精密定位实验台软件按其功能主要由主程序、优化决策模块、数据采集模块、数据管理 模块4 部分组成，如图2 一1 0 所示。 图2 一l o 精密定位实验台的软件构成模块 各个模块的主要功能如f ： ( 1 ) 主程序控制整个运行过程，协调其余3 个模块的分时工作。采用中断调用方式设 计，由子程序与中断服务子程序组成。 ( 2 ) 数据采集模块负责对光电检测器采集的经过检测光栅衍射后的0 次光光强( 莫尔 信号) 进行信号放大、a d 转换成相应的数字量输入给工控机，并且根据实际要求，实现软 件滤波。 ( 3 ) 优化决策模块对采集来的所有数据进行分析处理，提取特征信息后t 根据优化规 ! j l | j 作出判断并发出控制命令( 将在第三章做重点介绍) a ( 4 ) 数据管理模块负责显示界面、数据存储和打印等。它包括偏差信号检测曲线、实 时显示位置偏差信号大小、步迸电机驱动脉冲的控制曲线、历史数据等a 为了便于故障分析 和系统调试，系统可以把数据按照曲线形式保存或者存入数据库，进行离线分析a 2 4 1 数据采集技术口0 ”1 数据采集是信息科学的一个重要分支，它研究数据信息的获取、存储、处理及控制等。 作为系统获取外界信息的重要手段，数据采集广泛应用于信号处理、智能仪器、人工智能、 白动控制和智能故障诊断等领域。随着硬件技术的发展，数据采集的方式也发生了巨人的变 菌蠢 一 区 东南人学坝l 学位论文 高精崖位置检测及定位技术研究 化，传统的数据采集是由单片机( 8 0 5 1 、8 0 3 1 等) 与p c 机组成上下位机结构：单片机采集 数据后，等候p c 机发出读数据命令后才将数据写入p c 机内存，然后p c 机再向单片机发取 数据命令，如此循环。这种通过端口的底层的操作方式，简单易行，但容易数据丢失，因此 p c 机与单片机之间的通信必须有一个好的“握手协议”，这增加了应用开发的难度，效率不 高。而现在的基于p c 机的数据采集大大改善了这一不足，它使用采集卡和专门用于该卡的 开发包在w i n d o w s 环境下可用多种开发语言来实现数据采集，极大地方便了用户，加快了 开发速度。 p c l 一8 1 8 l 是台湾研华公司生产的用于p c 工控机的高性能、多功能数据采集卡。该 主 要特点： ( 1 ) 具有1 6 个a d 数据采集通道和2 个d a 数据输出通道； ( 2 ) 在d m a ( 赢接数据存取) 方式下其最大a d 采样频率可达到1 0 0 kh z ； ( 3 ) a d 转换支持三种触发方式：软件触发、可编程计时器触发和外部脉冲触发： ( 4 ) 数据采集卡有很完善的软件支持，可在b a s i c ，m i c r o s o f tc c +