大行程納米測量機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、本文所研究的納米測量機(jī)主要由納米微位移運動機(jī)構(gòu)和納米測量控制系統(tǒng)兩部分組成，其中納米微位移運動機(jī)構(gòu)包括納米級步距壓電微動臺、驅(qū)動控制系統(tǒng)及壓電陶瓷驅(qū)動電源;納米測量控制系統(tǒng)包括8倍頻耦合差動式激光干涉系統(tǒng)、光電信號調(diào)理電路及信號處理系統(tǒng)。本文的主要研究內(nèi)容如下: 1、壓電微動臺的設(shè)計研究 采用基于尺蠖運動原理的納米級步距壓電微動臺作為納米定位機(jī)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，變傳統(tǒng)的單驅(qū)動器為雙驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，選取平臺式結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)其實用

2、性并盡可能減小外形尺寸，根據(jù)新穎的推-拉接力運動原理，配以適當(dāng)?shù)乃穆夫?qū)動信號，實現(xiàn)了壓電微動臺的連續(xù)平穩(wěn)的運動。在壓電材料的選擇上進(jìn)行了比較論證，提出了加工精度、配合間隙、絕緣技術(shù)等對壓電微動臺功能實現(xiàn)的關(guān)鍵。 2、驅(qū)動控制系統(tǒng)及壓電陶瓷驅(qū)動電源的設(shè)計研究 以C8051F系列單片機(jī)為核心設(shè)計了壓電微動臺驅(qū)動控制系統(tǒng)，為壓電微動臺提供四路具有一定相位差的驅(qū)動信號，避免了微動臺運動過程中的懸空狀態(tài)，也保證了壓電微動臺在不同頻

3、率和電壓下進(jìn)行工作，并實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制。分析了壓電陶瓷驅(qū)動電源的作用原理，根據(jù)壓電陶瓷驅(qū)動電源的設(shè)計要求，采用直接穩(wěn)壓和直流放大式原理實現(xiàn)了具體電路，并對該電源進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)的測試。 3、8倍頻耦合差動式激光干涉系統(tǒng)的研究 根據(jù)干涉系統(tǒng)設(shè)計的基本思想，提出了一套新穎的8倍頻耦合差動式激光干涉系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)具有簡潔緊湊、光路布局對稱性好、光程差倍增、符合阿貝原則和結(jié)構(gòu)變形最小原則，不存在死光程及抗干擾能力強(qiáng)等特點，和

4、普通的邁克爾遜干涉儀相比，該系統(tǒng)擁有更高的分辨率和穩(wěn)定性。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)中各光學(xué)元件的特性參數(shù)，指出了光路調(diào)節(jié)中的關(guān)鍵技術(shù)。對整個納米級精度激光干涉位移測量系統(tǒng)的精度進(jìn)行分析，指出影響系統(tǒng)精度的誤差源，并提出減小或補(bǔ)償相應(yīng)誤差的方法，對整個系統(tǒng)的精度在理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行估算。 4、干涉信號處理系統(tǒng)的研究 針對干涉信號中存在的非正交誤差、不等幅誤差、直流電平誤差(簡稱三差)以及這三種誤差對細(xì)分精度的影響進(jìn)行了分析，并利用

5、以Heydemann模型為基礎(chǔ)的修正方法完成了對以上三種誤差的補(bǔ)償，從而保證了細(xì)分精度;根據(jù)多點擬合三差的原理，針對干涉儀的使用特點，提出了減小三差擬合運算的新算法，大大加快了運算速度;設(shè)計了以C8051F系列單片機(jī)為核心的硬件電路，同時實現(xiàn)了實時動態(tài)補(bǔ)償及位移量的計算。 5、系統(tǒng)實驗研究與結(jié)果分析 系統(tǒng)實驗包括兩個部分:第一部分包括壓電微動臺平均步距測試及閉環(huán)控制測試等，并對實驗結(jié)果進(jìn)行必要分析;第二部分采用比對的方法